Comportement et endommagement en fatigue et fatigue-fluage à haute température de différents états microstructuraux du superalliage base-nickel Udimet 720

Fatigue and creep-fatigue behaviour and damage processes at high temperature of two different metallurgical structures of the nickel-based superalloy Udimet 720

• Auteur / Autrice : Thomas Billot
• Direction : José Méndez, Patrick Villechaise
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides et matériaux
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aéronautique

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dislocations dans les métaux

Matériaux -- Détérioration

Oxydation

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Alliages réfractaires

Résumé

Les industriels de l'aéronautique et de l'énergie cherchent continuellement à accroître les températures de fonctionnement de leurs turbomachines dans un souci de rendement et de diminution des émissions polluantes. L'amélioration de la durabilité des composants constitue également une de leurs priorités. Dans ce contexte, la résistance mécanique des superalliages à base de nickel polycristallins utilisés pour les disques de turbines est un point clef. Cette thèse porte sur les modes de déformation et d'endommagement qui se développent à 700°C lors de sollicitations mécaniques de type fatigue, fluage et fatigue-fluage au sein de deux structures métallurgiques différentes de l'alliage Udimet 720. Les différences de comportement mécanique sont analysées au travers des structures de dislocations et de l'évolution des mécanismes qui opèrent à cette échelle. Le rôle des conditions de chargement (s, Dt) et de la microstructure de précipitation g' multimodale est précisé notamment concernant la transition entre le cisaillement des précipités g' et leur contournement. En parallèle, les processus d'amorçage de fissures et de leur propagation sont caractérisés. Si une transition inter –transgranulaire de la croissance des fissures est constatée pour certaines conditions de chargement, l'endommagement des joints de grains et de macles domine. Des interactions complexes fatigue-fluage-oxydation sont de plus mises en évidence par la réalisation d'essais mécaniques équivalents conduits sous air et sous vide. Dans le domaine de haute température exploré, la microstructure de précipitation de cet alliage n'est pas stable. Les effets d'un traitement de vieillissement ont été quantifiés ainsi que leurs répercussions sur le comportement mécanique et la durée de vie. Systématiquement les deux structures métallurgiques homogène et hétérogène ont été comparées.

Industrialists of the aeronautic and energy fields are persistently trying to increase their turbomachine in-service temperatures in order to improve the engine efficiency and to decrease polluting emissions. This thesis deals with deformation mechanisms and damage processes that appears at 700°C under fatigue, creep and creep-fatigue conditions in two different metallurgical structures of the Udimet 720 alloy. Mechanical behaviour differences have been analyzed through their dislocation microstructures and the evolution of the mechanisms operating at this scale. The influence of test conditions (s, Dt) and of the different scales g' precipitation has been detailed especially concerning the transition between shearing and by-passing processes of the g' precipitates. Besides, cracks initiation and propagation processes have been characterized. If an inter-transgranular transition in cracks growth has been observed under particular test conditions, the damage of grain boundaries and twin boundaries dominates. Moreover, complex creep-fatigue-oxidation interactions have been highlighted by equivalent mechanical tests conducted under air and vacuum. At high temperature, the microstructure of this alloy at the precipitation scale is not stable. Ageing treatment effects have been quantified as well as their repercussions on the mechanical behaviour and the durability. The homogeneous and heterogeneous metallurgical structures have been systematically compared.