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Résumé

La fonction des joints d’étanchéités radiaux segmentés est de limiter les fuites autour des roulements guidant les rotors des moteurs aéronautiques. Ce joint est composé de plusieurs segments en carbone graphite et de ressorts. Ces derniers maintiennent les segments en appui contre le rotor et le stator, ce qui permet au joint de s’adapter aux déplacements radiaux de ce premier tout en assurant un faible débit de fuite. Les contacts permanents entre les segments et les pièces mobiles entraînent leur usure mais, grâce à l’action des ressorts, les performances d’étanchéité sont maintenues tout au long de la durée de service.
L’objectif des travaux présentés est d’étudier le phénomène d’usure du carbone graphite afin de pouvoir proposer une méthode d’estimation de la durée de vie des segments. L’usure du carbone graphite génère une poudre fine qui joue le rôle de troisième corps. La poudre issue de l’usure sépare les surfaces en contact et agit comme un lubrifiant solide. Ainsi, toute estimation fiable de la durée de vie des segments implique une compréhension approfondie du comportement de cette poudre dans le contact. Des essais ont donc été réalisés sur des rhéomètres afin d’étudier dans un premier temps le comportement tribologique du matériau et son usure et dans une deuxième temps le comportement rhéologique de la poudre.
Ces essais ont permis de caractériser les couples de démarrage et le coefficient de frottement statique à différentes pressions de contact, ainsi que l’évolution du couple avec la vitesse. Les résultats ont mis en évidence que le couple de frottement dépend principalement de la pression de contact et faiblement de la vitesse de rotation. L’analyse de la topographie des surfaces a révélé la présence de deux mécanismes d’usure distincts : l’abrasion, prédominante au début de l’essai et l’adhésion, qui se manifeste plus tardivement. Durant l’essai, une couche se forme progressivement à l’interface de contact favorisant le glissement et réduisant l’usure. L’usure augmente néanmoins avec la pression de contact et la vitesse mais reste globalement faible, ce qui confirme que la poudre de graphite agit efficacement comme lubrifiant solide.
Pour les essais rhéologiques, des échantillons de poudre ont été obtenus par broyage et limage car la quantité de poudre issue de l’usure est trop faible. Ces essais ont permis d’identifier des propriétés rhéologiques telles que la masse volumique apparente, un indice de viscosité basé sur la comparaison avec des huiles siliconées de viscosité connue, la contrainte de rupture dans la masse et la contrainte de glissement à la paroi.
Finalement, la vitesse de l’usure a été déterminée à l’aide de la méthode des éléments discrets appliquée à un échantillon virtuel calibré sur les caractéristiques du carbone graphite.
Tous ces résultats constituent le socle sur lequel viendra s’appuyer une modélisation de la poudre dans le contact segment/rotor basée sur une équation de Reynolds généralisée capable de simuler toutes étapes du circuit tribologique (la production, la circulation et de l’éjection de la poudre).

Mots clés

Étanchéité dynamique, carbone graphite, usure, poudre, rhéologie