Etude et mise en oeuvre d'un procédé de préformage d'un alliage eutectique d'oxydes

Study and implementation of a capillary shaping process for the growth of an eutectic's oxides alloy

• Auteur / Autrice : Laurent Carroz
• Direction : Thierry Duffar, Kheirreddine Lebbou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, procédés, énergétique
• Date : Soutenance le 12/12/2016
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et ingénierie des matériaux et procédés (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Marc Chaix
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Parlier, Michael Podgorski
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Matias Velázquez, Fabrice Rossignol

Mots clés

Mots clés contrôlés

Alliages eutectiques

Mots clés libres

Efg

Eutectique

Oxyde

Croissance

Ménisque

Filière

Efg

Eutectic

Oxide

Growth

Defined film

Die

Résumé

Cette étude s’inscrit dans une problématique d’économie d’énergie à travers l’augmentation des rendements des turbines à gaz. L’objectif est alors de mettre au point un procédé permettant la croissance et la mise en forme de céramiques d’oxydes à la composition eutectique pour l’élaboration d’aubes de turbine. En conservant leurs propriétés mécaniques jusqu’à 1700°C et en présentant une densité plus faible que les superalliages actuellement utilisés dans les aubes, ces nouveaux matériaux seraient une solution potentielle pour augmenter notablement le rendement global des turboréacteurs. Dans ce contexte, le procédé EFG utilisé pour la production de saphir a été identifié comme le procédé d’élaboration le plus prometteur, et la céramique Al2O3/YAG/ZrO2 comme la composition présentant les meilleurs propriétés mécaniques.Dans un premier temps une étude approfondie du procédé EFG utilisé par RSA le Rubis, l’entreprise dans laquelle s’est déroulé ce travail, a été menée. Nous avons alors réalisé un modèle analytique de résolution du point de fonctionnement du procédé. Ce modèle est basé sur nos connaissances dans la cristallisation de saphir et nécessite des ajustements pour convenir à la cristallisation de la céramique.Nous avons donc mesuré les propriétés de mouillage du matériau. La densité liquide et la tension de surface ont été mesurées à l’aide d’une méthode dérivée de la méthode de Wilhelmy. En outre, une simulation numérique du procédé, accompagnée de mesures de températures par thermocouple, a permis de connaitre plus précisément la distribution thermique à proximité de la zone de cristallisation. Cette étude complète les résultats du modèle.Ainsi, nous avons pu solidifier des plaques en céramique eutectique avec le procédé EFG. Plusieurs essais ont été nécessaires au dimensionnement d’une zone chaude assurant le maintien géométrique des plaques, puis de nombreux essais d’optimisation ont permis de prolonger les tirages et ainsi produire des plaques de plus grandes dimensions.Enfin, nous nous sommes intéressés à la caractérisation des céramiques. L’analyse des microstructures définit la vitesse de cristallisation maximale admissible pour réaliser des cristaux sans colonie, qui sont les défauts principaux dans ce type de microstructure. Une campagne d’essais mécaniques a également été effectuée, révélant des problématiques d’usinage nouvelles et particulièrement importantes.

This study is a part of an energy saving issues through an increase of gas turbine yields. The objective is to adapt a process for the growth of oxide ceramics with eutectic composition for the manufacture of turbine blades. Sustaining their mechanical properties up to 1700 ° C and with a lower density than superalloys which are currently used in the blades, these new materials are a potential solution to significantly increase the overall efficiency of jet engines. In this context, the EFG process used for the production of sapphire has been identified as the most promising process, and the eutectic composition Al2O3/YAG/ZrO2 as the ceramic with the best mechanical properties.First, a thorough study of the EFG process used by RSA le Ruby, the company where this work was conducted, was done. An analytic model to resolve the setting point of the process was realized. This model is based on the RSA le Rubis’s knowledge in the sapphire crystallization.The wetting properties of the material were measured to fit the model. The liquid density and surface tension were measured using a method derived from the Wilhelmy method. In addition, a numerical simulation of the process, accompanied by temperature measurement by thermocouple, was done. It allows to know the temperature distribution close to the crystallization zone with a better accuracy.Thus, eutectic ceramic plates were solidified with the EFG process. Several tests were necessary in order to design a process ensuring the solidification of net shaped plates. Then lot of optimization pulls have been done to extend the plate’s dimensions.Finally, some characterizations were achieved on the plates. Analysis of the microstructure defines the maximum rate of crystallization to produce crystals without colonies, which are the main defect in these kinds of microstructures. A campaign of mechanical testing was also performed, revealing new machining problems which are particularly important.