Influence of manufacturing defects on the mechanical behavior of SiC/SiC tubular composites

Les composites à matrice céramique (CMC) de type SiC/SiC sont de bons candidats pour des applications chaudes compte tenu de leurs excellentes propriétés mécaniques à haute température (résistance à la rupture, au fluage, à la fatigue, aux chocs, tolérance au dommage). De nombreuses architectures de renforts ainsi que différents procédés de dépôt ou d'imprégnation de la matrice et de rectification sont possibles. Il s'agit alors de choisir les bons paramètres associés au procédé pour obtenir les propriétés mécaniques en adéquation avec une application donnée. L'objectif de ces travaux est de déterminer la robustesse du comportement mécanique d'un tube SiC/SiC obtenu par enroulement filamentaire au regard des défauts de fabrication. Pour cela, différentes nuances ont été élaborées et testées en traction selon l'axe du tube afin de caractériser le comportement mécanique. En particulier, deux types de défaut de fabrication ont été apportés au tube de référence. Le premier concerne le cœur du composite où du silicium a été introduit dans la matrice présente dans la préforme. Le second défaut est associé au procédé de rectification et à la présence du seal coat.Dans un premier temps, les différentes nuances de fabrication présentant des défauts à cœur ou en surface ont été caractérisées, afin de relier les propriétés microstructurales aux propriétés mécaniques.L’étude du comportement élastique a ensuite été réalisée en s’appuyant sur un modèle analytique. Une attention particulière a été portée à la modélisation de la porosité et à l’influence de son orientation. L’ajout de silicium à cœur et la rectification des surfaces interne ou externe entraînent une diminution du module d’élasticité. Par contre, les étapes d’usinage n’entraînent pas de pré-endommagement des tubes. De plus, les couches de seal coat et en particulier la couche externe semblent fissurer en premier lors des essais de traction.Dans un dernier temps, l’étude de l’endommagement et de la rupture a été réalisée en s’appuyant en particulier sur l’analyse des cycles de décharge-recharge. L’étude des défauts à cœur et en surface a mis en avant que le glissement au sein des composites ainsi que l’endommagement dans la direction de sollicitation sont essentiellement pilotés par le cœur. Aussi, les couches de seal coat et la rugosité de surface n’ont pas d’influence sur ces deux caractéristiques mécaniques. Les fibres étant orientées à +/-45°, les plis sont également sollicités en cisaillement. L’endommagement en cisaillement est fortement lié à la présence de la couche de seal coat interne. En effet, cette dernière reste liée au cœur et reprend une partie de la charge, contrairement à la couche externe qui délamine au cours de l’essai de traction. Expérimentalement, il a été observé que l’endommagement en cisaillement est relié au comportement de l’enveloppe de la courbe de contrainte-déformation et à la rupture ultime. En effet, retirer le seal coat interne ou diminuer son épaisseur entraîne une augmentation de la vitesse d’endommagement en cisaillement, un assouplissement du module tangent pendant la partie endommageable et une diminution de la contrainte et de la déformation à rupture.Ceramic matrix composites (CMC) of the SiC/SiC type are suitable candidates for hot applications due to their excellent mechanical properties at high temperatures (resistance to fracture, creep, fatigue, impact, and damage tolerance). Multiple reinforcement architectures and different deposition or impregnation processes of the matrix and grinding process are possible. It is then a question of choosing the correct parameters associated with the process to obtain the mechanical properties in adequacy with a given application. This work aims to determine the robustness of the mechanical behavior of a wound SiCSiC~tube regarding of manufacturing defects. For this purpose, different grades were developed and tested in tension along the tube axis to characterize the mechanical behavior. In particular, two manufacturing defects were brought to the reference tube. The first one concerns the core of the composite where silicon has been introduced in the core matrix. The second defect involves the grinding process's impact and the seal coat's presence.In the first step, the different manufacturing grades with core or surface defects have been characterized to link the microstructural properties to the mechanical properties.The study of elastic behavior was based on an analytical model. Particular attention was paid to the modeling of porosity and the influence of its orientation. The addition of silicon in the core and grinding of the internal or external surfaces lead to a decrease in elastic modulus. On the other hand, the machining steps do not lead to the pre-damage of the tubes. Moreover, the seal coat layers, particularly the outer layer, seem to crack first during the tensile tests.Finally, the study of damage and failure was carried out based essentially on the analysis of discharge-recharge cycles. The study of the defects in the core and surface showed that the core drives the sliding and the damage in the solicitation's direction. Also, the seal coat layers and the surface roughness do not influence these two mechanical characteristics. As the fibers are oriented at +/-45° the plies are also lozded in shear. The shear damage is strongly linked to the presence of the internal seal coat. Indeed, the latter remains bonded to the core and takes up part of the load, unlike the outer layer, which delaminates during the tensile test. Experimentally, it has been observed that the shear damage is related to the behavior of the stress-strain curve envelope and the ultimate failure. Indeed, removing the internal seal coat or decreasing its thickness leads to an increase in the shear damage rate, a softening of the tangent modulus during the damageable portion, and a decrease in the stress and strain at failure