Étude de la nocivité d'un défaut de fonderie sur la durée de vie en fatigue à haute température d'une aube monocristalline, cas du joint de grains

par Mélanie Leroy

Thèse de doctorat en Sciences et génie des matériaux

Sous la direction de David Ryckelynck.

Soutenue le 10-12-2013

à Paris, ENMP , dans le cadre de École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne) (laboratoire) .

Le président du jury était Khemais Saanouni.

Le jury était composé de David Ryckelynck, Franck Gallerneau, Arnaud Longuet, Luc Rémy, Alain Köster.

Les rapporteurs étaient Sylvain Calloch, Fahrad Rezaï Aria.


  • Résumé

    Les aubes de turbines haute pression des turboréacteurs sont soumises à des chargements thermomécaniques sévères en service. Elles sont actuellement fabriquées par solidification dirigée sous forme de monocristaux orientés suivant la direction <001> le long de la direction principale de l'aube. La solidification peut entrainer dans certains cas l'apparition de défauts, notamment la formation de deux grains : l'aube est alors constituée de deux grains d'orientations différentes. L'objectif de cette thèse est d'étudier l'influence de la présence d'un joint de grains sur la durée de vie de l'aube en superalliage AM1. Dans un premier temps, nous avons réalisé une étude expérimentale sur aubes réelles afin de déterminer l'influence du joint de grains sur la rupture par fatigue en flexion à différentes températures. Pour cela, des entailles ont été usinées dans les aubes pour solliciter de façon préférentielle le joint de grains au sein de l'aube dans des essais de type flexion. Cette étude a permis de mettre en évidence le rôle du joint de grains sur la durée de vie de l'aube selon la température d'essai, l'orientation cristallographique relative des grains, la position du joint de grains et le type de sollicitation. Parallèlement, une étude exprimentale sur éprouvettes bi-cristallines de type fatigue oligocyclique a été conduite en traction compression, avec une contrainte principale de traction suivant la normale au plan moyen du joint. Ces essais ont permis de quantifier la réduction de durée de vie induite par la présence du joint de grains par rapport à une éprouvette monocristalline. Un critère de rupture a été ainsi introduit dans la loi d'endommagement développée par l'Onera pour le superalliage monocristallin d'AM1. Ce critère de durée de vie a été appliqué dans les simulations numériques des aubes remaillées et permet de faire une première estimation de la nocivité du joint de grains dans les aubes.

  • Titre traduit

    Study of casting defect nocivity on the fatigue life at high temperature of a single crystal turbine blade, grain boundary case


  • Résumé

    The high pressure turbine blade of aeroengine are submitted to severe thermomechanical loading in service. The turbine blade are curently manufactured by directionnal solidification with oriented single crystal on the direction <001>, along the principal direction of the blade.The solidification process can induce different defects in the structure.This study is focused on a particular defect: the formation of two crystals in a blade. Defective turbine blades are composed of two grains with different orientation.The aim of this present thesis is to study the influence of the grain boundary on AM1 superalloy blade fatigue life. First, experimental investigations have been performed to understand at different temperatures, the influence of grain boundaries on fatigue fracture due to bending loadings. Notches have been introduced on turbine blades in order to accentuate solicitations on grain boundary. These experiments have evidenced the major role of grain boundary and grains orientations on turbine blade fatigue life.Then another experimental investigation has been carried out under low cycle fatigue on bicrystal specimens with tension/compression loading; the tensile principal stress is along the normal direction of the grain boundary mean plane. These tests allowed quantification of the fatigue life decrease due to the presence of grain boundary compared to the fatigue life of single crystal specimens.A failure criterion have been introduced in the damage constitutive behavior of single crystal AM1 developped by the Onera. This lifetime prediction model have been implemented in FE simulations. It allows the evaluation of the sensivity of grain boundary on turbine blade.


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