Mechanical Behavior of Liquid Route Processed SiCf/Ti Composites Under Longitudinal and Transverse Loadings
Composites SiCf/Ti obtenus par enduction à grande vitesse (EGV) Comportement mécanique sous sollicitations longitudinales et transversales
Résumé
Due to the high melting point and strong chemical reactivity of titanium alloys, titanium matrix composites (TMCs) are usually processed through solid state routes such as the foil-fiber-foil (FFF) technique. An alternative method consists in the deposition of the matrix on the fibers. However, techniques such as physical vapor deposition (PVD) lead to a very low deposition rate, contrary to liquid route processing using a levitating liquid alloy sphere held in a cold crucible. In order to investigate the effects of the resulting thermal shock on carbon coated SiC fibers, and select an appropriate fiber, fibers are subjected to a pure thermal shock using a laser bench facility. These fibers are then tensile tested to failure in order to evaluate the resulting fiber strength degradation and, thus, the maximum acceptable temperature. Mechanical characterization of the liquid route processed TMC is then investigated through longitudinal and transverse tensile and creep tests at temperatures representative of aeronautical applications. The specimens, unbroken after long duration creep tests, are then subjected to tensile loading to failure: conditions representative of service i.e. short time over-speeding of a gas turbine. Finally, interpretation of the mechanical tests through micrographical and microfractographical examinations is focused on the identification of the deformation and failure mechanisms specific to the liquid route processed composite, e.g. nucleation, under either longitudinal or transverse loadings, of internal cracks in the alpha phase of the titanium-based matrix, explained through a physical model involving a high shear stress and normal stress combination, leading to cleavage.
En raison de la température de fusion élevée et de la forte réactivité chimique des alliages de titane, les composites à matrice base titane (CMT) sont généralement fabriqués en phase solide, par la voie feuillard. Un autre procédé consiste à déposer la matrice sur les fibres. Cependant, des techniques, telles que le dépôt physique en phase vapeur (PVD), conduisent à une vitesse de dépôt très faible, contrairement à un procédé par voie liquide, au moyen d'une sphère d'alliage en fusion, maintenue en lévitation dans un creuset refroidi. Afin d'étudier les effets du choc thermique sur des fibres de SiC revêtues de carbone et de sélectionner une fibre appropriée, des fibres ont été soumises à un choc thermique pur à l'aide d’un banc laser. Ces fibres sont ensuite soumises à des essais de traction à rupture, afin d'évaluer la dégradation résultante et, ainsi, la température maximale acceptable. La caractérisation mécanique des CMT obtenus par voie liquide a ensuite été réalisée par des essais de traction et de fluage longitudinaux et transversaux à des températures caractéristiques des applications aéronautiques. Les éprouvettes, non rompues après des essais de fluage de longue durée, sont ensuite soumises à un essai de traction à rupture, afin d'avoir une meilleure connaissance du comportement du composite dans des conditions représentatives du service réel, telles que le court passage en survitesse d'une turbine à gaz. Enfin, l'interprétation des essais mécaniques par des examens micrographiques et microfractographiques a permis d'identifier les mécanismes spécifiques de déformation et de rupture des composites fabriqués par voie liquide. A cet égard, la nucléation, sous des charges appliquées longitudinales ou transversales, de fissures internes dans la phase alpha de la matrice base titane, peut être expliquée par un modèle physique impliquant la combinaison d’une contrainte de cisaillement et d’une contrainte normale élevées, ce qui conduit au clivage.