Fissuration d'un composite à matrice céramique dans une application de pièce statique de turbine à gaz

Une procédure expérimentale a été développée pour caractériser les mécanismes de détérioration et la durabilité de matériaux composites à matrice céramique (CMC) dans une application de pièce statique de turbine à gaz. Tandis que la plupart des essais de caractérisation publiés sur les matériaux CMC ont été réalisés sous des conditions de chargement contrôlé, la présente recherche tente de reproduire la relaxation des contraintes qui se produit normalement dans une pièce statique à haute température. Dans l'expérience proposée, un échantillon planaire de forme haltère est chauffé de façon cyclique sur une de ses faces et refroidi sur l'autre, tout en étant contraint dans ses déplacements. La contrainte de flexion résultante au centre de l'échantillon, mesurée par une cellule de charge, correspond à la contrainte de flexion qui a été préalablement prédite au centre des panneaux d'une chambre à combustion générique. Un matériau CMC multicouche composé d'une matrice d'alumine poreuse et de fibres NextelMD 720 a été utilisé pour développer l'expérience. Des essais de calibration ont d'abord été réalisés en utilisant un système de chauffage par lampe infrarouge, atteignant jusqu'à 1160 °C à la surface de l'échantillon. Un système laser au CO2 a par la suite été utilisé pour réaliser des essais de détérioration à haute puissance, atteignant en fin d'essai des températures de surface excédant la limite de 1200 °C du matériau et des différences de température à travers l'épaisseur de plus de 1000 °C. Sous la puissance de chauffage imposée à amplitude constante, l'accumulation de dommage a fait en sorte d'augmenter la température en surface et les gradients de température à travers le matériau. Une réduction de la contrainte dans le temps a été observée à cause du fluage, de la fissuration et de la délamination du matériau sous la condition de confinement du déplacement, menant à une stabilisation du niveau de dommage à une certaine profondeur dépendant de la contrainte thermique initiale. La procédure de caractérisation développée s'avère être un outil prometteur pour développer de nouveaux types de matériaux, de même que pour comparer la durabilité de matériaux existants sous des conditions représentatives de pièces statiques de turbine à gaz.

Abstract

An experimental procedure was developed to characterize the deterioration mechanisms and the durability of ceramic matrix composite (CMC) materials in static components of gas turbine engines. While most reported CMC characterization tests have been accomplished under controlled-load conditions, the current research attempts to reproduce the stress relaxation that is typically observed in static components under high temperature. In the proposed experiment, a planar dog-bone type material specimen is cyclically heated on one face and cooled on the other while being constrained in its displacements. The resulting thermal bending stress at the specimen center, which is monitored by a load cell, simulates the bending stress that was predicted beforehand at the center of generic combustor panels. A multilayer CMC material made of a porous alumina matrix and NextelTM 720 fibers was used to develop the experiment. Calibration tests were first conducted using an infrared lamp heater, reaching up to 1,160 °C on the specimen surface. A high power CO2 laser was then used to perform deterioration tests, reaching at the end of test temperatures well above the material limit of 1,200 °C and through-thickness temperature differences greater than 1,000 °C. Under the imposed constant-amplitude heat load, the accumulation of damage resulted in increases of the surface temperature and through-thickness temperature gradient. A stress reduction was observed over the test duration due to the material creep, cracking, and delamination, under the condition of constrained displacement, leading to a stabilization of the damage level at a certain depth depending on the initial thermal stress. The developed characterization procedure was shown to be a promising tool for developing new types of materials and for comparing the durability of existing material candidates under representative conditions of gas turbine static components.