Les composites à matrice céramique (CMC) sont des matériaux constitués d’une matrice céramique renforcée par des fibres céramiques continues (généralement à base de SiC ou de C). Le travail de thèse présenté, réalisé en collaboration avec Snecma Propulsion solide et l’Agence De l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie, a pour objectif d’introduire des matériaux CMC au sein de pièces de moteurs d’avions civils, concurrençant ainsi les alliages métalliques actuellement utilisés. Pour ce faire, les matériaux CMC devront répondre aux exigences propres à l’aéronautique civil, à savoir qu’ils devront présenter une longue durée de vie en atmosphère oxydante dans une gamme de basse température (400-600°C) et avoir un coût compétitif. Dans ce contexte, des matériaux CMC constitués de fibres SiC de première génération, de coût moins élevé, sont étudiés, mais leur inconvénient majeur est leur plus grande sensibilité à l’oxydation. Des matrices auto-cicatrisantes multicouches à base de Si, B, et C ont été développées ces dernières années afin d’assurer une tenue à l’oxydation des fibres, mais elles ne sont pas opérantes dans la gamme de température imposée. Compte tenu d’études précédemment réalisées et des exigences requises pour l’application visée, l’objectif du travail présenté dans ce mémoire est de proposer des solutions pour améliorer la tenue à l’oxydation de renforts fibreux à base de fibres de SiC de première génération, dans la gamme de température 400-600°C, en évitant un surcoût de production trop important. / Continuous fiber-reinforced ceramic matrix composites (CFCCs) are an important class of materials for structural applications at elevated temperatures because of their improved flaw tolerance, large fracture resistance, improved toughness by crack deflection and crack bridging mechanism, low density and noncatastrophic mode of failure comparing with metallic materials. Fibers play a critical role in both the processing and performance of CFCCs. SiC-based fibers are considered leading candidate materials in the aerospace application, such as engine turbines. However, the major shortcoming of SiC-based fibers is their oxidative embrittlement and degradation, which is caused by the oxygen ingression from the micro cracks and interstitials in the composites, is the dominant life-limiting phenomenon of non-oxide composites. This study carried out with the financial supply of both Snecma Propulsion Solide and Agence De l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie has for objective to integrate SiC-based as reinforcement in CFCCs for civil aircraft engine application. In order to reach this objective, it is imperative to find a novel approach to diminish the oxygen ingression by developing protective fiber coatings.

Le développement des moteurs aéronautiques du futur a permis d’accentuer les recherches concernant les matériaux composites thermostructuraux SiC/SiC. La voie classique d’élaboration de ces matériaux consiste en l’infiltration de la matrice via un procédé par voie gazeuse. Due à leur porosité résiduelle importante, ces matériaux possèdent une faible conductivité thermique. Cette dernière peut générer de forts gradients thermiques pouvant entrainer une rupture prématurée de la pièce. Afin de réduire cette porosité, un procédé alternatif peut être utilisé : l’infiltration par du silicium liquide (procédé MI : Melt Infiltration). L’objectif de ce travail est de comprendre l’ensemble des mécanismes intervenant au cours de l’infiltration du silicium au sein d’une préforme fibreuse composée de fibres SiC Hi-Nicalon S. Ce procédé nécessite une étape en amont de l’imprégnation du silicium consistant en l’introduction de particules de SiC au sein de la préforme.La première partie de ce travail a consisté d’une part, en la définition de l’architecture poreuse des matériaux et, d’autre part, en la réalisation de tests de montée capillaire en utilisant des fluides organiques modèles. A l’aide de l’équation de Washburn, il est ainsi possible d’identifier des tailles de pores caractéristiques au sein de la préforme fibreuse et de la matrice granulaire et de prévoir le courbes d’ascension capillaire du silicium liquide au sein des matériaux. La seconde partie de ce travail décrit la mise en place d’un four permettant de réaliser le suivi in-situ de la prise de masse en silicium au cours du procédé MI. Une comparaison entre les résultats expérimentaux et les courbes prévisionnelles obtenues à l’aide de l’équation de Washburn a ainsi pu être effectuée. La dernière partie de ce travail a consisté en la réalisation d’essai d’imprégnation partielle afin d’identifier les mécanismes de montée capillaire du silicium liquide durant le procédé MI. / The development of aeronautic engines increased the need in high temperature SiC/SiC composite researches. A standard way to proceed is to infiltrate the matrix by chemical vapor infiltration. Due to their high porosity, their thermal conductivity is generally low. This could lead to strong thermal gradients and an early failure in a harsh environment. To reduce porosity, an alternative process can be used: the infiltration of molten silicon (MI: Melt Infiltration). The aim of this work is to understand all mechanisms occurring during the infiltration of silicon in a fibrous preform composed of SiC Hi-Nicalon S fibers. This process needs a first step which consists in the introduction of SiC particles into the preform before the MI process.First, this work focused on the definition of the porous structure of studied materials and capillarity tests using wetting organic solvent. With the use of Washburn’s law, it was possible to identify pore sizes within the fibrous preform and the granular matrix, and so to predict the capillarity ascent graphs of molten silicon into our material. A second part was devoted to the conception of an infiltration furnace which allows in situ following of the samples weight gain. The correlation between graphs obtained with the Washburn model and the experimental process could be established. Finally, the last part of this work presents partial infiltrations of molten silicon into studied materials which permit to identify capillary mechanisms occurring during the MI process.

Résumé / Abstract

Les composites SiC/SiC sont envisagés comme matériaux pour des composants de cœur de réacteurs nucléaires du futur. Le dimensionnement de ces structures par la simulation numérique repose sur une modélisation du comportement mécanique de ces matériaux. Ces travaux visent à améliorer la compréhension de leurs mécanismes de déformation afin de construire une loi de comportement à même de prédire la réponse du matériau sous chargements complexes. Une caractérisation approfondie du comportement macroscopique de tubes SiC/SiC multicouches - similaires aux concepts de gaines de combustibles - a été entreprise, par des essais de traction-pression interne, traction-torsion et flexion multi-instrumentés, et a permis de constituer une importante base expérimentale pour la compréhension des mécanismes d'endommagement et l'identification de modèles. Des observations in-situ et après rupture ont permis de quantifier l'orientation des fissures matricielles observées en surface en fonction du type de chargement appliqué. Des mesures de champs de déplacement par Corrélation d'Images Numériques à l'échelle d'un motif du textile ont permis d'apporter des informations fines sur la cinématique de la surface du composite, telles que l'ouverture des fissures ou la déformation des fragments matriciels. Ces mesures ont également permis de mettre en évidence l'importance de la réorientation des torons dans la direction de chargement, mécanisme pouvant expliquer certaines spécificités du comportement macroscopique du fait de son couplage avec la fissuration matricielle. Enfin, ces différentes données expérimentales ont permis de construire un modèle phénoménologique, identifiable sur quatre essais uniaxiaux, permettant de prédire de manière satisfaisante le comportement macroscopique sous divers chargements bi-axés. L'accord de certaines quantités locales, telles que les caractéristiques de la fissuration en traction, ont également été vérifiées. / SiC/SiC composites are candidate materials for in-core components of future nuclear reactors. The analysis of these structures using numerical simulations requires material constitutive laws. The present work focuses on understanding the deformation mechanisms of these materials in order to build a constitutive model able to predict their stress-strain response under complex loadings. An extensive characterization of the mechanical behaviour of SiC/SiC multi-layered tubes – similar to fuel cladding concepts - was carried out, using tension-internal pressure, tension-torsion and bending tests, that allowed to build an important experimental basis for the understanding of the mechanisms and the identification of constitutive laws. In-situ and post-failure observations have allowed quantifying the orientation of surface matrix cracks as a function of the loading type. Full-field measurements using Digital Image Correlation at the tow scale brought precise information on the composite surface kinematics, such as the crack opening or the deformation of the matrix fragments. These measurements also evidence the importance of the tow reorientation, that could explain specific features of the macroscopic behaviour because of its coupling with matrix cracking. Finally, these experimental data allowed to build a constitutive model, identified on only four uniaxial tests, able to predict satisfactorily the macroscopic behaviour under several biaxial loadings. The correct prediction of local quantities, such as the characteristics of the matrix cracking in tension, has also been verified.

L’industrie aéronautique a exprimé un besoin en matériaux pour des zones fortement chargées thermiquement et mécaniquement. L’objectif est d’optimiser grâce à ces matériaux, notamment en termes de poids et de rendement, le coeur des turboréacteurs. Un procédé par voie liquide appelé «Reactive Melt infiltration» est industriellement envisagé pour fabriquer ces matériaux. La densification est tributaire de la compétition entre la montée capillaire et la réaction chimique entre le silicium liquide et la poudre préalablement introduite. Cette concurrence peut conduire à des phénomènes de «choking off» qui doivent être évités. Dans ce travail, l’approche numérique est à la fois macroscopique et microscopique. Des validations numériques, des applications dans le cadre de géométries modèles et des analyses physiques sont présentées pour les deux échelles. Les simulations d’imbibition réactive à l’échelle de la pièce sont effectués avec un outil développé au sein de SAFRAN alors que les simulations de montées capillaires dans des géométries modèles à l’échelle du pore sont réalisées avec le code de calcul Thétis (développé à l’I2M, Bordeaux). Une méthodologie expérimentale pour le suivi et l’analyse de l’imprégnation capillaire réactive d’un milieu granulaire constitué de matériaux modèles est également présentée. / The development of ceramic matrix composites (CMCs) to replace certain metal components ininternal hot parts of aircraft engines is an active research field for the aeronautical industry. Theseadvanced components may be manufactured with a fluid processing called ReactiveMelt Infiltration(RMI). The densification step is the capillary rise of a molten metal such as silicon within a wovenpreform. The molten metal can react with the previously introduced ceramic powder and lead to arefractory matrix. The competition between capillary rise and the reaction between molten siliconand introduced carbon powder has to be managed. The ambition is to prevent choking off effectsand closed pores created by preferential paths. Simulations of two-phase flows at macroscopic scaleare undertaken with a homemade code developed in SAFRAN whereas simulations of two-phaseflows atmicroscopic scale were undertaken with CFD code Thétis (developed at I2M, Bordeaux). Anexperimental methodology for analysis of reactive or not reactive capillary impregnation in granularmedia is described.

Le comportement mécanique non linéaire des composites à matrice céramique SiC/SiC tissés 3D résultede la microfissuration de ses constituants fragiles. Cet endommagement induit une variation descomposantes du tenseur de rigidité. La caractérisation ultrasonore de ce tenseur a nécessité l'utilisationd'un algorithme d'optimisation génétique robuste à un mélange prononcé des modes acoustiques. Le suivisous charge de ces propriétésmacroscopiques a conduit à identifier les mécanismes d'endommagement etles réseaux de fissuration. Trois régions de microfissuration matricielle : inter-fils, intra-fils transversaux etintra-fils longitudinaux, ont été localisés par analyse micrographique. Les densités associées ont été corréléesaux cinétiques d'endommagement mesurées par ultrasons, reliant la réponse macroscopique dumatériauà son endommagement microstructural. L'introduction de ces réseaux et de leur cinétique d'évolutiondans une modélisation multi-échelle du composite, a permis de confirmer les variations expérimentales desrigidités et d'accéder aux longueurs de décohésion de chaque réseau, quantités difficilement mesurables.

L’ouverture du marché de l’aéronautique civil aux matériaux composites à matrice céramique impose le développement de nouveaux procédés d’élaboration compatibles avec les cadences de production et les coûts de fabrication du secteur.À cette fin, des travaux expérimentaux ont été menés pour élaborer une matrice à base d’oxynitrure de silicium (Si2N2O) par procédé SHS, ou synthèse par combustion, à partir d’un mélange de poudres réactives.L’oxynitrure de silicium est une céramique thermostructurale prometteuse, caractérisée par de bonnes propriétés mécaniques, mais également par une résistance à l’oxydation supérieure à celle du carbure de silicium.Le procédé SHS est un procédé d’élaboration rapide dont le moteur est une réaction chimique suffisamment exothermique pour s’entretenir sans apport d’énergie extérieur.Les poudres sont préalablement broyées, mises en suspension, puis imprégnées dans une préforme fibreuse composée de fibres en carbure de silicium de dernière génération (Hi-Nicalon S). La réaction SHS est ensuite réalisée dans un réacteur spécialement conçu et dédié à cette étude.Une attention particulière a été portée sur l’optimisation des paramètres d’élaboration pour la synthèse d’une matrice à base Si2N2O. La synthèse s’effectue par la nitruration sous pression d’un mélange dans les bonnes proportions d’une poudre de silicium et d’une poudre de silice. La réaction chimique s’amorce à la température de fusion du silicium. La pression d’élaboration et la vitesse de montée en température constituent les paramètres principaux régissant la composition et la microstructure de la matrice. Ces paramètres ont fait l’objet d’une étude expérimentale approfondie pour parvenir à une matrice homogène, composée à plus de 90% d’oxynitrure de silicium et assurant un taux de porosité résiduelle du composite inférieur à 10%. Ce travail a été complété par le calcul des propriétés élastoplastiques de la matrice, par la caractérisation mécanique à l’échelle du composite, et par un test de vieillissement en température sous air humide. / The opening of the civil aviation market to ceramic matrix composite materials requires the development of new methods of producing compatible with the production rates and manufacturing costs of the sector.For this purpose, experimental work was conducted to develop a silicon oxynitride matrix (Si2N2O) by combustion synthesis (or SHS), from reactive powders. In recent years, Si2N2O has emerged as a promising new high-temperature ceramic material, characterized by not only good mechanical properties, but also by a higher oxidation resistance than silicon carbide. The underlying basis of SHS relies on the ability of highly exothermic reactions to be self-sustaining and, therefore, energetically efficient. Powders are first milled, dispersed and stabilized in aqueous media, and then impregnated into a fibrous preform composed of the latest generation of silicon carbide fibers (Hi-Nicalon S). SHS reaction is then carried out in a reactor specially designed and dedicated to this study. Particular attention was focused on the optimization of experimental parameters for the synthesis of a Si2N2O based matrix. Silicon metal in a mixture with silica powder was combusted under pressurized nitrogen gas into silicon oxynitride. The pressure and the temperature rise rate were the principal parameters for the composition and microstructure of the matrix. These parameters have been the subject of extensive experimental work to reach a homogeneous matrix with a very high formation rate for silicon oxynitride (more than 90wt%) and with a level of residual porosity lower than 10%. This work was completed by the calculation of the physical properties of the matrix, by the mechanical characterization of the composite material, and finally by a temperature aging test under moist air.

Cette thèse associe analyse d’image et modélisation physico-chimique afin de caractériser l’infiltrabilité d’un milieu poreux. Infiltrabilité signifie : « propension d’un milieu poreux à se laisser pénétrer par un fluide apportant un dépôt solide ». Une application est la fabrication de composites à matrice céramique par dépôt chimique en phase gazeuse (CVI). Des études ont montré que l’agencement des fibres d’un matériau composite a un impact sur sa densité finale. Nous proposons d’étudier l’évolution du milieu poreux au cours de l’infiltration pour des architectures complexes. La première étape consiste en la segmentation et la caractérisation de composites déjà densifiés obtenus par micro-tomographie. Les objets à segmenter sont des fibres quasi-cylindriques. Deux outils ont été développés : un estimateur optimal de l’orientation vers l’axe de cylindres, et un algorithme de détection et de caractérisation d’objets quasi-cylindriques. Appliquée aux composites fibreux, cette étape fournit un bloc contenant les fibres. Il constitue le milieu poreux complexe dont on cherche à caractériser l’infiltrabilité. La seconde étape est la modélisation à l’échelle des fibres du procédé CVI. Elle utilise des marcheurs aléatoires, avec une gestion de l’interface du solide par « marching cube simplifié». L’algorithme proposé est novateur car il prend en compte simultanément les réactions chimiques, le transport de gaz en régime raréfié ou continu et l’évolution temporelle de la morphologie d’un milieu poreux. Le couplage des deux étapes permet de comparer le dépôt issu de la segmentation à celui résultant de la simulation dans divers régimes physiques. Il est alors possible d’effectuer une analyse inverse des conditions d’élaboration à partir de la morphologie du dépôt. Les outils proposés permettent aussi de comparer l’infiltrabilité de différentes architectures fibreuses. / This thesis connects image processing and physicochemical modeling to characterize the infiltrability of porous media. Infiltrability means “ability of a porous medium to receive a solid deposit brought by penetration of a carrier fluid”. A practical case is the preparation of ceramic-matrix composites by Chemical Vapor Infiltration (CVI). Various studies have proved that the fiber arrangement in preforms of composite materials affects the density of the material at the final stage. In this work, the morphological evolution of complex 3D porous media during the gas-phase infiltration is studied. The first step consists in the segmentation and characterization X-ray Micro Tomography of the infiltrated composite. The objects to be segmented are quasi cylindrical fibers. Two tools have been developed: an optimal estimator of the orientation toward the axis; and an algorithm to detect and characterize quasi cylindrical objects. Applied on images of fiber-reinforced composites, this approach makes it possible to obtain the block containing the fibers. This block is the complex porous medium used for infiltrability characterization. The second step addresses the fiber-scale modeling of CVI. It is based on random walkers and fluid / solid interface management by a simplified marching cube. Our algorithm is innovative since it handles simultaneously chemical reactions, gas transport in rarefied and continuum regimes, and the morphological evolution of porous structure. By combining these two steps, we can compare the deposit obtained by segmentation to simulated deposits obtained in various physicochemical regimes. This allows performing an inverse analysis of the actual deposition conditions from the morphology of the deposit. The provided computational approach also allows the comparison of different porous textures with respect to their infiltrability.

Les composites à matrice céramique sont utilisés dans les moteurs aéronautiques en raison de leur stabilité à haute température et de leurs propriétés mécaniques. Cependant, quand ils sont soumis à des environnements sévères (haute température, haute pression, environnement oxydant et humide), ils s'oxydent et se dégradent dû à la volatilisation de la silice protectrice formée en surface par oxydation du CMC. Par conséquent, pour augmenter la durée de vie de ces matériaux, il est nécessaire d'appliquer une protection externe contre la corrosion. Ceci constitue l'objectif de ma thèse. La démarche expérimentale a été la suivante : (i) identification des matériaux de revêtement à étudier ; (ii) validation du choix des matériaux par étude de leur stabilité structurale et de leurs compatibilités chimique et thermomécanique avec le substrat ; (iii) étude de la stabilité des matériaux de revêtement sous atmosphère corrosive et enfin (iv) comportement des revêtements sur composites. / The ceramic matrix composites can be used in aeronautic engines due to their high temperature stability and their mechanical properties. However, under a corrosive environment, an oxidation and then a recession of the CMC occured because of the volatilization of the silica scale formed at the surface of the composite. Consequently, in order to increase the lifetime of such materials, a external protection against corrosion is required. This is the aim of my Ph-D thesis. The experimental approach is the following : (i) identification of the coating materials ; (ii) validation of the selected materials by studying their structural stability and their chemical and thermomechanical compatibilities with the substrate ; (iii) determination of the thermal stability of the materials under a corrosive environment and (iv) behaviour of the coatings onto the CMC.

Les matériaux composites à matrice céramique (CMC) sont élaborés à partir de constituants fragiles. Le comportement mécanique et le développement de la fissuration dépendent des propriétés des constituants élémentaires des CMC. La connaissance de l’influence de ces propriétés sur l’évolution de la fissuration et du comportement mécanique fournit une aide au concepteur de matériaux composites.L’objectif de ce travail est de modéliser l’évolution du réseau de fissures au sein du CMC sollicité en traction, à l’échelle du fil et à l’échelle du composite tissé. L’approche proposée est une alternative aux principaux modèles de comportement des CMC.A l’échelle du fil, l’endommagement intervient d’abord sous forme de fissures matricielles accompagnées de décohésions à l’interface fibre/matrice. Les analyses de ces deux mécanismes ont permis d’exprimer leur évolution au sein du fil en traction. Le comportement en traction résultant de l’endommagement et l’ouverture de la fissure matricielle sont aussi exprimés semi-analytiquement.Les comparaisons avec un modèle numérique de zones cohésives et avec les essais expérimentaux montrent une bonne corrélation des résultats.Enfin ces expressions à l’échelle du fil sont utilisées pour modéliser l’endommagement du fil longitudinal au sein du composite tissé en traction. De plus, un outil numérique est développé pour modéliser la fissuration matricielle inter-fil dans le composite tissé. / Ceramic matrix composite materials (CMC) are elaborated from fragile constituents. Their mechanical behaviour and crack growing depend on the properties of the CMC elementary constituent. Knowing the influence of these properties on crack development and mechanical behaviour provides support to the composite material designer.This work aims at modelling the crack networks development within the CMC under axial tension, at the yarn scale as well as at the woven composite scale. The proposed approach is an alternative to the main CMC behaviour models.At the yarn scale, matrix cracking with interfacial debonding between fiber and matrix first happen. Both mechanisms are analysed and their development are expressed. The mechanical behaviour resulting from damage and the crack opening displacement are also described using semi-analytical equations. Comparisons with numerical cohesive zone model and also with experimental testing shows good correlation between results.These semi-analytical expressions are then used for modelling damage within each yarns at the woven composite scale. In addition, a numerical tool is developed for matrix cracking and interfacial debonding between yarns of the woven composite.