UNE NOUVELLE TECHNIQUE D'ELABORATION DES MATERIAUX COMPOSITES A MATRICE METALLIQUE CONSISTE A INJECTER UN METAL LIQUIDE A TRAVERS UNE PREFORME FIBREUSE PLACEE DANS UN MOULE METALLIQUE. SI CE PROCEDE A L'AVANTAGE D'ETRE UN MOYEN RAPIDE D'ELABORATION, IL ENGENDRE NEANMOINS DES DIFFICULTES DUES NOTAMMENT A L'APPARITION DE PHENOMENES DE SOLIDIFICATION PENDANT L'IMPREGNATION. DANS LE BUT DE FACILITER LE CONTROLE DES DIFFERENTS PARAMETRES DU PROCESS, DEUX MODELES NUMERIQUES BIDIMENSIONNELS, BASES SUR LA DISCRETISATION DES EQUATIONS DE DARCY ET DE LA CHALEUR, ONT ETE DEVELOPPES POUR SIMULER CE PROCEDE D'ELABORATION. LE PREMIER MODELE, BASE SUR LA METHODE DES VOLUMES FINIS, PERMET DE SUIVRE L'ECOULEMENT D'UN METAL A TRAVERS UNE PREFORME FIBREUSE PLACEE ENTRE LES DEUX PAROIS PLANES DU MOULE. UNE ETUDE DE L'EVOLUTION DE LA SOLIDIFICATION ET DE L'INFLUENCE DE DIFFERENTS PARAMETRES PHYSIQUES SUR L'IMPREGNATION EST ALORS PRESENTEE. LE DEUXIEME MODELE, BASE SUR LA METHODE DES ELEMENTS FINIS ET INTEGRE A LA BIBLIOTHEQUE DE CALCUL MODULEF, PERMET DE DECRIRE L'IMPREGNATION D'UNE PREFORME FIBREUSE DANS UN CAS AXISYMETRIQUE. UN DISPOSITIF EXPERIMENTAL PERMET DE VALIDER QUELQUES RESULTATS NUMERIQUES CONCERNANT L'EVOLUTION DE LA SOLIDIFICATION DU METAL AU COURS DE L'IMPREGNATION

Un procédé d'élaboration de matériaux composites à matrice métallique (CMM) par voie liquide consiste à injecter sous pression du métal liquide dans une préforme fibreuse placée dans un moule. Lorsqu'un alliage métallique est injecté, un phénomène de ségrégation lié au changement de phase de la matrice apparaît au cours de l'imprégnation de la préforme. Une étude expérimentale de ce phénomène a été réalisée ; elle comprend la production d'échantillons en faisant varier les paramètres d'élaboration ainsi que l'analyse chimique et structurale des composites. Une modélisation à l'échelle de la fibre des transferts thermiques et solutaux qui ont lieu lors de l'injection du métal est proposée.Une simulation numérique basée sur la résolution des équations de conservation par la méthode des volumes finis a été développée. Les résultats de cette simulation ont ensuite été confrontés aux observations faites sur les composites.

LES MATERIAUX COMPOSITES A MATRICE METALLIQUE PRESENTENT DES PROPRIETES MECANIQUES ELEVEES ET PROMETTEUSES, EN PARTICULIER LES MATRICES BASE TITANE RENFORCEES PAR DES FIBRES LONGUES POUR LES INDUSTRIES AERONAUTIQUE ET SPATIALE. DIVERS PROCEDES D'ELABORATION DE TELS MATERIAUX ONT ETE DEVELOPPES ; LA VOIE FEUILLARD/FIBRE/FEUILLARD SEMBLE OFFRIR UN BON RAPPORT QUALITE/COUT. L'OBJECTIF DE CETTE ETUDE EST L'OPTIMISATION DE CE PROCEDE AU TRAVERS, D'UNE PART, DE L'ETUDE DE L'ECOULEMENT DE LA MATRICE AUTOUR DES FIBRES, ET D'AUTRE PART, DE LA PREDICTION DE L'ETAT DE DENSIFICATION DU MATERIAU A L'AIDE DES SIMULATIONS PLASTICINE ET NUMERIQUE. LA PREMIERE PARTIE A AINSI CONSISTE A ETABLIR UNE METHODOLOGIE PERMETTANT D'ACCEDER A LA RHEOLOGIE DES FEUILLARDS DANS LES CONDITIONS D'ELABORATION DU MATERIAU COMPOSITE. CETTE METHODOLOGIE A ETE MISE AU POINT ET VALIDEE POUR LES ALLIAGES DE TITANE TA6V ET B21S. L'INFLUENCE DE L'HISTOIRE THERMOMECANIQUE PARTICULIERE DES FEUILLARDS, ET DONC DE LEUR MICROSTRUCTURE PROPRE, A ETE MISE EN EVIDENCE. AFIN DE MODELISER LE PROCEDE, DEUX VERSIONS DU CODE FORGE2 ONT ETE DEVELOPPEES POUR INTEGRER LES CONDITIONS GEOMETRIQUES ET MECANIQUES DE CE DERNIER. LA PREMIERE, VISCOPLASTIQUE, MET EN EVIDENCE L'INFLUENCE DES FROTTEMENTS ET DE LA RHEOLOGIE SUR LES TEMPS DE COMPACTION DE MATERIAUX PARTICULIERS (FIBRES PARFAITEMENT ALIGNEES OU EN QUINCONCE). LA SECONDE VERSION, ELASTO-VISCOPLASTIQUE, S'APPUYANT SUR UNE DISTRIBUTION STATISTIQUE DES RENFORTS, PERMET LA SIMULATION DU PROCEDE INDUSTRIEL. ON A AINSI PU DEMONTRER L'IMPORTANCE DE LA PRISE EN COMPTE DES MOUVEMENTS DES FIBRES, AINSI QUE L'INDEPENDANCE DU TEMPS DE COMPACTION VIS-A-VIS DU NOMBRE DE PLIS DU MATERIAU COMPOSITE. LES RESULTATS DES SIMULATIONS SONT EN BON ACCORD AVEC DES ESSAIS INDUSTRIELS DE CONSOLIDATION

L'IMPREGNATION DE PREFORMES FIBREUSES PAR UN METAL EST UNE TECHNIQUE PROMETTEUSE ET DE MIEUX EN MIEUX MAITRISEE POUR L'ELABORATION DE MATERIAUX COMPOSITES A MATRICE METALLIQUE. CEPENDANT CE TYPE DE MATERIAUX EST ENCORE ASSEZ PEU UTILISE INDUSTRIELLEMENT EN PARTICULIER A CAUSE DES NOMBREUX DEFAUTS QUI APPARAISSENT AU COURS DE LA SOLIDIFICATION DU METAL AU SEIN DE LA PREFORME. DANS CE TRAVAIL NOUS PROPOSONS UNE SIMULATION NUMERIQUE DE L'APPARITION DES MICROPOROSITES AU COURS DE L'ELABORATION DE MATERIAUX COMPOSITES A MATRICE METALLIQUE PAR IMPREGNATION. APRES UNE INTRODUCTION OU NOUS RECENSONS LES PRINCIPALES METHODES DE PREDICTION DES DEFAUTS EN FONDERIE CLASSIQUE, NOUS PRESENTONS LES PHENOMENES PHYSIQUES PROPRES A L'APPARITION DE CAVITES LORS DE L'ELABORATION DES MATERIAUX COMPOSITES A MATRICE METALLIQUE PAR IMPREGNATION. NOUS DECRIVONS ENSUITE LES ALGORITHMES QUE NOUS AVONS DEVELOPPES POUR SIMULER L'APPARITION DES MICROPOROSITES DUES AU RETRAIT. NOUS TESTONS L'INFLUENCE DE DIFFERENTS PARAMETRES (MASSELOTTAGE, VITESSE DE SOLIDIFICATION) SUR LA REPARTITION DES MICROPOROSITES. ENFIN NOUS PROPOSONS UNE VALIDATION EXPERIMENTALE DE LA METHODE NUMERIQUE

En aéronautique, l'élaboration via des pré-imprégnés n'est pas toujours adaptées àla fabrication de nouvelles pièces de formes complexes ou de grandes dimensions. Desprocédés directs existent, dénommés Liquid Composites Molding (LCM), tels que leResin Transfer Moulding (RTM) ou les procédés d'infusion de résine, comme le LiquidResin Infusion (LRI) et le Resin Film Infusion (RFI). Actuellement, environ 5 à 10%des pièces composites sont fabriqués par ces procédés directs. Avec le procédé RTM,les tolérances dimensionnelles et la porosité peuvent être maîtrisées et on peut atteindredes pièces haute qualité, mais son industrialisation est complexe et les modèlesmécaniques doivent être améliorés pour réaliser des simulations représentatives. Parcontre, les procédés d'infusion peuvent être utilisés dans des conditions plus flexibles,par exemple, dans des moules ouverts à sac vide en nylon ou silicone, à faible coût. Parconséquent, les procédés de LRI et RFI sont particulièrement adaptés pour les petites etmoyennes entreprises car les investissements sont plus faibles par rapport à d'autresprocédés de fabrication.Les procédés par infusion de résine LRI ou RFI sont basés sur l'écoulement d'unerésine liquide (pour RFI, après le cycle de température, la résine solide obtenir son étatliquide) à travers l'épaisseur d'un renfort fibreux sec dénommé préforme.L'optimisation du procédé est difficile à réaliser car le volume de la préforme changefortement pendant le procédé car elle est soumise à une pression extérieure et qu'il n'ya pas de contre-moule. Pour optimiser les paramètres de fabrication des matériauxcomposites par infusion de résine, il est nécessaire de mettre en oeuvre un modèlenumérique. Récemment, une modélisation de l'écoulement d'un fluide isotherme dansun milieu poreux compressible a été développée par P. Celle [1]. Avec ce modèlenumérique, nous avons simulé des cas test en 2D pour des géométries industriellesclassiques. Pour valider ce modèle numérique, des essais d'infusion d'une plaque par leprocédé LRI dans des conditions industrielles ont été réalisés. D'une part, la simulationnumérique permet de calculer le temps de remplissage, l'épaisseur de la préforme et lamasse de la résine durant l'infusion. D'autre part, nous avons suivi de procédéexpérimentalement par des micro-thermocouples, la fibre optique et la projection defranges. Un des points clefs de l'approche expérimentale est que l'écoulement de larésine et le comportement de la préforme dépendent intrinsèquement de paramètres quiévoluent pendant l'infusion de la résine, tels que la variation de l'épaisseur, le temps deremplissage et le taux volumique de fibres, via la perméabilité. Enfin, une comparaisonentre les résultats expérimentaux et la simulation numérique permet de valider lemodèle numérique. Cette confrontation des résultats permettra de mettre en lumière lesdifficultés et les limites de ce modèle numérique, afin d'améliorer les futurs modèles.De plus, ces deux approches constituent un bon moyen d'étudier et d'approfondir nosconnaissances sur les procédés d'infusion de résine, tout en développant un outil desimulation indispensable à la conception de pièces composites avancées.

L'objectif de ce travail est l'étude du comportement des matériaux hétérogènes aussi bien à l'échelle mésoscopique qu'à l'échelle macroscopique, avec des applications orientées vers les composites à matrice métallique et en particulier vers les Al/SiC. Les modèles thermomécaniques utilisés pour la matrice (modèle de Miller et Sherby, modèle généralisé d'Anand) couvrent un domaine de températures allant de l'ambiante à la température de fusion et des vitesses de déformation jusqu'à 10-1 s-1. Ils font appel à une énergie d'activation dépendant de la température, ce qui permet une meilleure description du comportement viscoplastique complexe de la matrice. En ce qui concerne les renforts, leur comportement a été supposé élastique, compte tenu de leur grande rigidité et de leur température de fusion élevée. En partant de cette modélisation, un nouveau code éléments finis 3D, appelé EVIMP3D, a été développé. L'interpolation spatiale est isoparamétrique (linéaire ou quadratique), à l'exception de la partie sphérique du tenseur vitesse de déformation, qui est interpolée par une méthode de type B-bar, afin de mieux tenir compte de la quasi-incompressibilité de la matrice en grandes déformations plastiques. Le code a été conçu d'une manière modulaire de façon à pouvoir y implémenter facilement d'autres lois de comportement. L'intégration temporelle, basée sur une description lagrangienne réactualisée, utilise pour chaque pas de temps un algorithme du type prédicteur-correcteur. Le prédicteur est basé sur un schéma explicite de type «forward-gradient», qui fournit une première estimation de la configuration à la fin du pas. Il est ensuite relayé par le correcteur qui est basé sur un schéma implicite cohérent de type Newton-Raphson, et qui doit d'une part assurer la réactualisation des variables d'état et, d'autre part, minimiser les forces non-équilibrées. Les premières simulations ont été utilisées pour la validation numérique détaillée d'EVIMP3D. La plupart des applications concernent les composites Al/SiC, et ont eu comme objectif la prévision des contraintes résiduelles induites par l'élaboration et leur influence sur le comportement du composite lors d'un chargement mécanique ultérieur. La discrétisation 3D du domaine a permis d'étudier d'une manière systématique l'influence de la forme des renforts sur la distribution spatiale des contraintes et des déformations. Enfin, quelques simulations ont été consacrées à l'étude de l'influence des bords libres dans des cas d'arrangement périodique des particules de renfort, afin de vérifier la validité des calculs effectués d'habitude sur des volumes représentatifs.