René GRAS, Isabelle CARON, Muriel QUILLIEN

« Tribologie et matériaux sous gconditions sévères de fonctionnementfonctionnement »

René GRAS, Isabelle CARON, Muriel QUILLIEN

ISMEP-SUPMECA - LISMMA EA 2336 - Equipe Tribologie

ISMEP‐SUPMECA‐ LISMMA EA 2336 Groupe Tribologie / Nov .2011 Forum CNRS ‐MITTELWIIHR1

INTRODUCTION• Les techniques modernes soumettent les contacts à desLes techniques modernes soumettent les contacts à des

conditions de fonctionnement de plus en plus sévères :

– Environnements agressifs physiquement oug p y qchimiquement, températures basses ou élevées limitantles possibilités de lubrification,

– Contraintes mécaniques élevées,

– Régimes vibratoires importants.

Ces situations exigent des solutions spécifiques alliant:

‐ conceptions originales et utilisation de matériaux ayantdes propriétés superficielles capables de se substituer auxtechniques conventionnelles de lubrification.

La présentation décrit une étude dans laquelle lalubrification conventionnelle est impossible : le guidage desturbomachines en milieu cryogéniqueturbomachines en milieu cryogénique.

2ISMEP‐SUPMECA‐ LISMMA EA 2336 Groupe Tribologie / Nov .2011 Forum CNRS ‐MITTELWIIHR

Les milieux cryotechniques : caractéristiques • Caractéristiques principales des fluides cryotechniques

utilisés dans les lanceurs spatiaux :

Fluide Masse volumique Kg/m3

Capacité calorifiquemJ/kg

ChaleurlatentekJ/kg

Températured’ébullitionK

ViscositédynamiquemPa.s

Réactivité

Kg/m mJ/kg gOxygène 1140 380,4 213 90,2 0,197 Oxydant

Azote 810 401 3 199 77 3 0 158 NeutreAzote 810 401,3 199 77,3 0,158 Neutre

Hydrogène 71 3573 452 20,4 0,013 Réducteur

Hélium 125 1404 21 4,2 0,047 Neutre

Air(20°C) 87,5 0,016 Oxydant

Eau (20°C) 1000 1

Echanges thermiques Portance FilmsEchanges thermiques Portance Films

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Les milieux cryotechniques : conséquences pour les matériauxpour les matériaux

• Les basses températures ont des conséquences sur :

– les propriétés mécaniques des matériaux : accroissementde la limite d’élasticité et de la limite de rupture.

– pour certains matériaux, notamment les aciers à structurebi t é b t ti i t t dcubique centrée on observe : augmentation importante de

la fragilité, et chute de l’allongement à la rupture :

• 25 à 30 % à température ambiante• 25 à 30 % à température ambiante

• 2 à 3 % au dessous de la température critique.

– par contre : aciers inoxydables austénitiques ou alliagesde titane sont moins sensibles à la transition ductile –de titane sont moins sensibles à la transition ductile –fragile.


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Les milieux cryotechniques: ConséquencesRésistance à la rupture MPa

Température (K) 300(ambiante)

77 (LN2) 20 (LH2)

p

(ambiante)Acier inoxydable

austénitique650 1600 1750

Aluminium 120 240 430

Cuivre 220 380 460

Titane 560 1000 .

M l 580 830 930 Monel 580 830 930

Fibre de verre 330 550époxyNylon 66 195

PTFE 14 92ISMEP‐SUPMECA‐ LISMMA EA 2336 Groupe Tribologie / Nov .2011 Forum CNRS ‐MITTELWIIHR

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Les fluides cryotechniques: Conséquences sur le comportement tribologique

• Les températures cryogéniques entrainent l’impossibilitéd’utiliser les lubrifiants classiques.

• Leur viscosité est très faible, ce qui limite leur portance.

• Les fluides cryotechniques facilitent échanges thermiques etévacuation de la chaleur générée par le frottement.

• En LN2 les contacts supportent des quantités d’énergie en termed d it V l i t t ’ GNde produit pV plus importantes qu’en GN2.

• Ces échanges peuvent être perturbés par la vaporisation du fluide(ébullition nucléée puis ébullition en film) d’où des divergences(ébullition nucléée puis ébullition en film) d où des divergencesthermiques et destruction des composants par adhésion etgrippage.g pp g

• Les changements de phase créent des gradients thermiques quiaccroissent les risques de fatigue thermique sur des matériauxfragilisés.


Les milieux cryotechniques: Conséquences sur le comportement tribologique ‐ Réactivité

• Les fluides cryotechniques ont des possibilités de réactivité quipeuvent :

‐ faciliter la création sur les surfaces de contact de filmsréactionnels déterminant dans le comportementt ib l itribologique,

‐ ou au contraire les limiter ou les détruire.

L’ è f t é ti ité t i té i• L’oxygène, par sa forte réactivité avec certains matériaux,favorise la création de films qui suivant leur nature et leurspropriétés peuvent être bénéfiques en jouant le rôle depropriétés peuvent être bénéfiques en jouant le rôle delubrifiant solide ou au contraire déclencher des usuresintempestives par abrasion par exemple.

• L’hydrogène tend à réduire les films superficiels initiauxfacilitant le contact direct métal/métal accroissant ainsi lesrisques d’adhésion.


Matériaux pour turbopompes cryogéniques

• Actuellement, les propulseurs des lanceurs spatiaux les plusperformants (puissance et rendement) font appel à lacombustion de l’hydrogène dans l’oxygène. Les impératifs dey g yg pdébit et de stockage impliquent une utilisation de ces ergolssous forme liquide.

• L’introduction de ces ergols dans la chambre de combustionest réalisée par des turbopompes dont les rotors sonti é d l fl id é i i l limmergés dans les fluides cryogéniques qui placent lesorganes de guidages de ces rotors dans des situations defonctionnement très sévères.

• L’exposé présente l’analyse tribologique des problèmes, etune approche des solutions faisant appel à l’utilisation deune approche des solutions faisant appel à l utilisation detraitements ou revêtements de surface.


ASTRONAUTIQUE - REVETEMENT POUR ROULEMENT DE TURBOPOMPE LH2– Moteur VULCAIN ARIANE V

• Moteur cryotechnique• Haut. : 2m Diam. :1m• Masse 1650 Kg• Poussée 115 t

Par comparaison, pour le même ordre de grandeur de poids moteur, un moteur auto de compétition délivre l’équivalent de 4 000 N


Caractéristiques du moteur VULCAINMoteurMoteur

Poussée (tonnes) 115

Durée de la mission (s) 600

Qualification 6000 s – 20 démarrages

Puissance thermique(MW)

3500( )Masse (Kg) 1650

Turbopompe hydrogène Turbopompe oxygène

Débit (kg/s) 50 200

Vitesse de rotation(tr/min)

35 000 13 000

Masse (kg) 240( g)

Puissance mécanique(MW)

12 3ISMEP‐SUPMECA‐ LISMMA EA 2336 Groupe Tribologie / Nov .2011 Forum CNRS ‐MITTELWIIHR

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Guidage des rotors des turbopompes

145 bar

0 b70 bar

870 K Power =10 MWN=31320 rpmMass =232 kgMass 232 kg

P=3 bar

T=21K

iLH2=40 kg/sLH2

100100 mm

d


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Définitions des roulements TP LH2• Le guidage des rotors est assuré par des doublets de roulementsLe guidage des rotors est assuré par des doublets de roulements

à billes à contacts obliques montés en « O », baignant dansl’ergol

• Bagues et billes sont en acier martensitique X105CrMo 17 (440C)élaboré par double refusion sous vide, qui présente l’avantagegoutre sa dureté d’avoir une bonne résistance à la corrosion.

• La température de revenu de l’acier (< 200°C) limite les• La température de revenu de l acier (< 200 C) limite lespossibilités de réalisation de revêtements résistants.

• La cage est constituée d’un composite stratifié :tissu de fibres deverre imprégné de PTFE.Lors du frottement des billes sur les parois des alvéoles ceLors du frottement des billes sur les parois des alvéoles, cepolymère à structure lamellaire se transfère à la surface desbilles et assure une certaine protection des surfaces.


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Conditions de fonctionnement des roulements TP LH2LH2

• Roulements à contact obliqueN D él é 2 2 à 2 5 106• N Dm élevé: 2,2 à 2,5 x 106mm.tr/min

• Pression de contact Billes/bagues:• Pression de contact Billes/bagues: 2 à 3 GPa

• Vitesses élevées :• Vitesses élevées :– Roulement 60 à 80 m/s– Glissement de pivotement: 4 à 6– Glissement de pivotement: 4 à 6 m/s pV max = ~ 2 kW/mm2

Roulement à contact oblique LH2

p /• Environnement : LH2


Analyse du fonctionnement d’un roulement à contact obliqueq

Puissance dissipéeChamps de contraintes normales ‐ tangentiellesnormales tangentielles

Durée de vieThermique ‐ Adhésion


Endommagements observés après fonctionnement en LH2 (Ariane 4) et banc d’essaisen LH2 (Ariane 4) et banc d essais

• Phénomènes d’adhésion dus:

– au glissement fonctionnel de pivotement des billes

– à l’absence de lubrification efficace

– à la réduction des films superficiels par l’hydrogènepouvant aller jusqu’au grippage bille/baguespouvant aller jusqu au grippage bille/bagues.

– ces phénomènes peuvent diverger et conduire à ladestruction des roulementsdestruction des roulements

• Phénomènes de fatigue superficielle ou profonde, oul d i l éles deux simultanément.


• Identification de la défaillance– Type : Rupture Blocage UsureType : Rupture, Blocage, Usure, Vibration, Frottement, ÉchauffementGrippagepp g

Fonctionnement normal Défaillance

• Identification du mécanisme– Tribologie : Adhésion‐Collage


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Fatigue de contactForce tangentielle F = µ FForce tangentielle ‐ FT = µ FN

Hamilton Goodman


Solutions correctives• L’analyse tribologique fonctionnelle des contacts• Lanalyse tribologique fonctionnelle des contactsbille/bague, conduit à envisager les possibilitésd’améliorations suivantes :

• Augmentation de la résistance aux contraintesmécaniques par durcissement des surfaces deroulement,

• Réduction des risques d’adhésion : choix d’unrevêtement peu adhérent avec l’acier antagonisterevêtement peu adhérent avec l acier antagoniste,(Matériaux compatibles tribologiquement)

• Réduction de la dépense énergétique: abaissement dufacteur de frottement (Lubrifiants solides).


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Démarche mise en œuvre

• Proposition de solutions– Interposer un matériau quiInterposer un matériau qui

supprime le collage Agl b f l d–Ajouter un lubrifiant solide

(3 variantes type MoS2)Épaisseur quelques µm

( yp 2)• Validation des solutions

Tribomètre pion disque sévérisant le collage–Tribomètre pion ‐ disque sévérisant le collage et tribomètre bidisque

• Choix final de solutions


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Traitements et revêtements : principales caractéristiques

TRAITEMENTS EPAISSEUR DURETE OBSERVATION

1 Nitruration Epaisseur Hv >1100 en Phase du type1 Nitruration Epaisseur modifiée 30μm

Hv 1100 en surface

Phase du type Fe4N

2 TiN 3,5 à 4 μm Hv 0,5 N >10002 3,5 à 4 μm ,

Ni + P quelques μm

3 Ag + MoS 4 à 5 μm Dureté du3 Ag + MoS2 4 à 5 μm + << 5 μm

Dureté du substrat acier de base

4 MoS2 0,2 à 0,4 μm

PTFE quelques 0,1 μm q q , μ

5 TiN + MoS2 TiN : 3,5 à 4 μmMoS2 : 1 μm

Faible adhérence du MoS2 : 1 μmMoS2


CRYOTRIBOMETRE PION/DISQUE SUPMECA


Résultats essais pion/disque LN2Conditions d’essais: p = 1 à 4 Mpa v = 0,5 à 2 m/s

6

5

0,1

4

otte

men

t x 0

Acier Z100CD17

Z100CD1 A M S2

2

3

icie

nt d

e fro Z100CD17 + Ag + MoS2

Z100CD17 + nitruration

Z100CD17 TiN

1

2

coef

fi Z100CD17 - TiN

Z100CD17+ TiN +MoS2

0

1

0 0,5 1 1,5 2 2,5

distance parcourue m x 1000ISMEP‐SUPMECA‐ LISMMA EA 2336 Groupe Tribologie / Nov .2011 Forum CNRS ‐MITTELWIIHR

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Synthèse des résultatsTraitement Facteur de Qualité de Energie Usure relative ObservationsTraitement Facteur de

frottement fm

Qualité deglissement

Δf

Energierelativeadmissible

Usure relative Observations

Disque FrotteurDisque FrotteurAcier/Acier 0,45 0,1 1 (référence

sans unité)100

(référence ité)

Transfert important

Arête rapportée

l sans unité) sur le frotteur

Nitruration 0,45 0,1 2 4 4 Léger transfert sur transfert sur

le disqueTiN 0,4 0,1 1 300 30 Usure

régulièrerégulièreMoS2 +Ag+Ni

< 0,05 0,02 10 2 Transfert Très léger transfert

RevêtementMoS2

0,06 0,04 5 10 Transfert Très léger transfert sur

frotteurTi N PVD +MoS2

0,15 0,1 Non déterminé

150 1023


Cryotribomètre bidisque CNES SNECMA SUPMECA


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Roulement ⇔ bidisque

B’

APP

B

V1V2 Contact Contact

F2 A PBR F1

∅ 60 ∅ 60

Schéma des contacts bidisqueISMEP‐SUPMECA‐ LISMMA EA 2336 Groupe Tribologie / Nov .2011 Forum CNRS ‐MITTELWIIHR

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Résultats de l’étude

• Fonctionnement: Absence de divergence thermique

• Durée de vie: 12 000 s avant consommation• Durée de vie: 12 000 s avant consommation totale du revêtement

• Suppression des traces de grippage

Ab d fi ti f d fi i ll• Absence de fissuration profonde ou superficielle

• Vole actuellement sur ARIANE 5


Conclusions• Les composants tribologiques en environnement cryotechniqueLes composants tribologiques en environnement cryotechnique

sont soumis à des contraintes spécifiques :

– Impossibilité de lubrification classique, basses températures,p q , p ,faible pouvoir lubrifiant des fluides.

Les surfaces subissent des sollicitations identiques à celles enfrottement sec. Les couches superficielles doivent assurer lesfonctions habituellement attribuées aux lubrifiants.

Traitements et revêtements de surface, lubrifiants solides oumatériaux adaptés, apportent des solutions viables et fiables.

L’étude présentée montre la possibilité de développer cesl ti à ti d l’ l d tè t ib l isolutions à partir de l’ analyse des systèmes tribologiques.

Des essais sur banc , puis la mise en oeuvre des solutions sur leslanceurs Ariane 4 et 5 ont confirmé la validité de ces solutionslanceurs Ariane 4 et 5 ont confirmé la validité de ces solutions.


• Remerciements

Les auteurs remercient le CNES, la SNECMA, le CNRS é d GDR 0916 R lCNRS, créateurs du GDR 0916 « Roulements

cryotechniques » ainsi que tous les participants à ce GDR.


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