Branche MAS : les matériaux de l'atome à la structure
Photo: Microscope électronique à balayage CASTAING.
Aéronautique, spatial, défense... les industries pour lesquelles travaille l'ONERA ont besoin de matériaux hors normes, capables de supporter des contraintes très sévères, en termes de température, de pression, ou de chargement. Ces matériaux sont la spécialité de la Branche MAS (Matériaux et Structures), qui possède à son actif le développement de quelques-uns de ces matériaux de compétition, et une expertise dans leur modélisation...
Esteban Busso,directeur de la branche MAS
"Notre grande force tient à ce que nous possédons sur ces matériaux stratégiques une compétence multi-échelle, qui va de celle associée à la microstructure, au niveau des atomes, des réseaux d'atomes ou des grains, jusqu'à la structure elle-même, qui peut faire quelques cms ou dizaines de mètres dans le cas d'une aile d'avion ou d'un fuselage" souligne Esteban Busso, le directeur scientifique de la Branche MAS.
Or, tous les spécialistes le savent, on ne peut véritablement comprendre le comportement d'un matériau qu'à travers une connaissance de tous ces "étages" : atomique, microscopique, mésoscopique et macroscopique. Au sein de la Branche, cette compétence est répartie au sein de ses quatre départements.
Paroles d'experts
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Jean-François Maire Directeur du département des matériaux et structures composites
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Benoît Devincre Directeur de recherche CNRS au Laboratoire d'étude des microstructures
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Jean-Pierre Grisval et Johann Rannou Respectivement directeur du département DADS et ingénieur de recherche au DMSM
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Alphonse Finel et Serge Kruch Respectivement directeur du LEM et chargé de mission au DMSM
Le LEM, spécialisé dans les études des microstructures des matériaux; DMSM et DMSC, ont une vision plus intermédiaire, entre le "nano" et le "macro" en passant par les échelles « micrométriques » et « mesometriques », de leurs familles respectives de matériaux (métalliques, composites et céramiques).
Le DADS possède une expertise dans le comportement dynamique des structures et dans l’aéroélasticité - la déformation élastique des structures dans un écoulement d'air. Airbus fait régulièrement appel aux services du DADS pour réaliser des tests vibratoires sur les fuselages de ses avions. "Le département possède également une tour de crash dont il existe peu d'exemplaires dans le monde" note Esteban Busso. L'un des grands axes de travail de toutes ces équipes consiste à développer ou à peaufiner la modélisation statique et dynamique de ces matériaux, afin de réduire le recours aux essais physiques, généralement longs et coûteux à réaliser. Ses équipes ont notamment développé une suite de calcul "éléments finis" appelée Zébulon, très modulaire, et capable d'intégrer des lois de comportement variées et extrêmement complexes. Mais il s'agit d'un travail de longue haleine, car ces matériaux sophistiqués ne se laissent pas facilement mettre en équations, notamment lorsqu'ils sont soumis à des sollicitations thermiques, statiques ou dynamiques très rapides comme des impacts. L'une des tendances plus innovantes dans le domaine de la modélisation réside dans une approche multi-physique. En effet, ces modèles sont longtemps restés spécialisés : il y en avait un pour la thermique, un autre pour la diffusion, un autre pour la plasticité, etc. De plus en plus, les équipes de la branche MAS développent des modèles intégrant plusieurs pans de la physique à la fois, une tendance à l'intégration qui s'accélérera dans les prochaines années.
Un autre atout de la branche MAS est qu'elle ne se contente pas d'étudier ou de modéliser les matériaux, elle est capable d'en produire certains elle-même, comme les superalliages ou les alliages intermétalliques à base de titane, grâce à des équipements exceptionnels. Elle est la principale "cliente" de la tour d'atomisation récemment acquise par l'ONERA en coopération avec d'autres organismes académiques, et qui permet de produire les poudres nécessaires pour la fabrication de ces alliages par la voie métallurgie des poudres. "Nos équipes se servent aussi beaucoup des microscopes électroniques à balayage (MEB) et à transmission (MET) et de la diffraction des rayons X, entre autres, qui permettent notamment d'observer en temps réel l’évolution microstructurale d'un matériau et de mesurer son comportement lorsqu'on le soumet à des efforts ou des contraintes " explique Esteban Busso.
Tous ces points forts ont conféré une notoriété internationale à la branche MAS, qui compte bien la renforcer encore. "Dans les prochaines années, nous poursuivrons nos efforts dans trois directions : le développement de matériaux stratégiques à propriétés exceptionnelles, l'accroissement du "réalisme" des outils de simulation en combinant les approches multi-échelle et multi-physique, et l'optimisation des structures aérospatiale de demain" confie Esteban Busso. Attention, prévient toutefois ce dernier : "la recherche sur les matériaux est une recherche longue - il peut se passer de quinze à vingt ans entre les premiers travaux et la mise en service d'un matériau; il faut donc un effort continu."
Cet article a été réalisé en collaboration avec
Esteban Busso, directeur de la branche MAS
Benoît Devincre, directeur de recherche CNRS au Laboratoire d'étude des microstructures
Alphonse Finel, directeur du LEM
Jean-Pierre Grisval, directeur du DADS
Serge Kruch, chargé de mission au DMSM
Jean-François Maire, directeur du DMS
Johann Rannou, ingénieur ingénieur de recherche au DMSM
Paroles d'experts
Notre département a acquis au cours des dernières décennies une expertise internationalement reconnue dans le domaine de la modélisation des matériaux composites qu'il s'agisse de stratifiés unidirectionnels, les plus utilisés dans l'aéronautique aujourd'hui, de composites tissés 3D, qui vont arriver avec le prochain moteur LeapX, ou de composites à matrice céramique. Nous sommes les fournisseurs officiels des modèles d'endommagement "composites" du groupe Safran, nous avons remporté récemment l’équivalent d’un concours international de prévision d'endommagement, et la NASA est entrée en contact avec nous récemment pour travailler sur ces sujets, autant de preuves que nos modèles ont largement fait leurs preuves et sont considérés comme des références. Aujourd'hui, ces modèles fonctionnent à l'échelle mésoscopique, c'est à dire qu'ils décrivent le comportement du matériau à l'échelle du pli, soit entre un et trois dixièmes de millimètre. L'une de nos pistes pour l'avenir consistera à développer des modèles qui décrivent le comportement du matériau composite à l'échelle inférieure, l'échelle microscopique, celle de la fibre ou de la matrice. Nous n'y sommes pas encore mais nous y travaillons. Autre objectif : passer de modèles qui décrivent les effets de l'endommagement, à des modèles qui décrivent l'endommagement lui-même, par exemple, le nombre, la densité et la taille des fissures. Enfin, c'est un point parfois un peu négligé, nous nous efforcerons de progresser dans le dialogue entre les essais expérimentaux et la modélisation. Nous avons de bons résultats dans les deux domaines, mais des progrès peuvent réellement naitre d'une meilleure interaction entre les deux.
On sait depuis très longtemps que les matériaux cristallins, comme les métaux, peuvent se déformer plastiquement avec l’aide de micro-défauts internes - appelés dislocations - qui, en se déplaçant, permettent un changement de forme des matériaux. Le développement de modèles capables de décrire voire de prédire ces déformations constitue un champ de recherche très important. Le LEM unité mixte ONERA-CNRS a été l'un des premiers laboratoires au monde à élaborer un outil - baptisé microMegas - capable de simuler la dynamique des dislocations au sein de matériaux cristallins. En 2008, nous avons franchi une étape importante(*), en réussissant pour la première fois à prédire les propriétés plastiques de certains matériaux monocristallins purs, comme le cuivre, le nickel ou l'aluminium. Et ce, grâce à un modèle mathématique dont tous les paramètres avaient été calculés au préalable avec des simulations de la dynamique des dislocations. Depuis lors, nous essayons d'étendre ce modèle aux polycristaux et aux cas de chargements mécaniques complexes tel que les sollicitations cycliques à l’origine de la fatigue des matériaux. C'est un travail de titan, mais nous avançons pas à pas. Nous sommes récemment parvenus à reproduire les premiers stades de la déformation plastique d'une éprouvette multi-grains de nickel. Notre objectif au long cours est la réalisation d'un modèle continu, justifié physiquement, depuis l’échelle microscopique, mais utilisable par l’ingénieur pour réaliser des calculs précis de dimensionnement des pièces.
(*) Collaboration avec L. Kubin (LEM, CNRS-ONERA) et T. Hoc (Ecole Centrale Lyon)
Modéliser le comportement d'une structure métallique ou composite qui subit un impact ou un petit choc est un thème sur lequel travaillent en parallèle trois départements de la branche MAS : DADS, DMSC et DMSM. Un sujet ardu si il en est, car la modélisation de phénomènes dynamiques comme des impacts fait appel à des équations complexes, non linéaires, et nécessite une approche multiéchelle. "Nous travaillons par exemple sur la caractérisation et la modélisation du comportement des structures face à des impacts d’ oiseau, de glace voire de projectile" explique Jean-Pierre Grisval, directeur du département DADS. Depuis quelques années, ses équipes se consacrent notamment à la tenue à l'impact des liaisons entre pièces composites ou hybrides, des zones plus vulnérables que les surfaces continues. Autre sujet au programme : les réservoirs, où "le risque vient moins de l'impact lui-même que de l'onde de choc hydrodynamique qu'il provoque" précise Jean-Pierre Grisval. DMSC et DMSM, de leur côté, s'intéressent à la modélisation de petits chocs sur des structures composites stratifiées. Un PRF baptisé Transition statique/dynamique a permis de progresser sur ce sujet au cours des dernières années. "Une première thèse a permis d'affiner leur simulation et la prévision des endommagements qu'ils induisent en étendant les modèles développés pour les sollicitations statiques à des sollicitations dynamiques" détaille Johann Rannou, ingénieur de recherche au DMSM. Une seconde thèse, davantage orientée sur les méthodes numériques, a permis de développer un modèle qui couple deux techniques de résolution éléments finis très rarement utilisées ensemble : la méthode implicite - économique en calcul mais adaptée à des dynamiques lentes - et la méthode explicite - mieux adaptée à des dynamiques rapides comme les impacts mais très coûteuse en temps de calcul. "Cette dernière est employée pour simuler la zone d'impact, très complexe, la première pour les zones non touchées" précise Johann Rannou. À terme, les progrès accomplis dans la modélisation pourraient permettre de rationaliser les campagnes d'essais lors du processus de certification des matériaux et structures et donc d'en diminuer le coût.
Aujourd'hui, les chercheurs du LEM travaillent sur des modèles qui décrivent très finement la microstructure des superalliages, et son évolution dans le temps lorsque le matériau est soumis à des contraintes. "Ces recherches font appel à une physique très sophistiquée, comme la méthode des champs de phase ou la dynamique des dislocations" indique Alphonse Finel, directeur du LEM. A leurs côtés, les scientifiques du DMSM disposent de modèles qui décrivent le comportement du matériau, mais à l'échelle macroscopique pour le calcul de structures (disque ou aube de turbine, par exemple), sans rentrer dans le détail de sa microstructure. L'un des enjeux dans les prochaines années sera d'intégrer les premiers dans les seconds, autrement dit d'intégrer les modèles de microstructure dans le calcul de structure. "Aujourd'hui, le passage d'une échelle à l'autre se fait encore par étapes. Mais le rapprochement est en cours, et d'ici cinq à dix ans on devrait y parvenir" estime Serge Kruch, chargé de mission au DMSM. Concrètement, cela signifie que l'on pourra calculer un disque de turbine, le soumettre aux chargements d'un moteur d'avion en termes de sollicitations aéro-thermo-mécaniques, puis analyser ensuite en détail comment a évolué sa microstructure. "In fine, cela devrait permettre aux motoristes (dans ce cas précis) d'optimiser la géométrie de leurs composants, pour réduire leur masse, améliorer leur rendement, ou augmenter leur durée de vie " précise Serge Kruch. En parallèle, les équipes du LEM essaieront d'améliorer la prédictivité de leurs modèles pour des alliages multi-composants, et d'augmenter encore la dimension multi-physique de ces modèles. Aujourd'hui, ces derniers possèdent déjà une dimension multi-physique puisqu'ils combinent la thermodynamique, la théorie de l'élasticité et la théorie de la plasticité. "Demain, nous nous efforcerons d'y introduire les aspects "endommagement" et "corrosion", tout en améliorant encore la modélisation du comportement plastique, qui constitue l'un des défis les plus ardus de la physique de la matière condensée." conclue Alphonse Finel.