Propagation de fissure en fatigue-fluage à haute température de superalliages monocristallins à base de nickel

Creep-fatigue crack growth at high temperature in single crystal nickel base superalloys

• Auteur / Autrice : Nicolas Marchal
• Direction : Samuel Forest, Luc Rémy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux. Ingénierie des matériaux et des structures, mécaniques des solides, acoustique
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Paris, ENMP

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Résistance des matériaux

Mots clés libres

Superalliage

Monocristal

Résumé

Les aubes de la turbine haute pression des turboréacteurs ou des turbines terrestres sont des composants importants soumis à des chargements thermomécaniques sévères. Ces aubes sont fréquemment réalisées en superalliage à base de nickel monocristallin. Les modèles de durée de vie actuels décrivent l'amorçage de microfissures, alors que plusieurs études ont montré la nécessité de tenir compte de leur propagation. L'objet de cette thèse était donc de la modéliser par l'approche locale de la rupture en fatigue et en fatigue-fluage. Nous avons d'abord identifié une loi de comportement cristallographique dans des conditions de sollicitation variées. Cette loi a été utilisée pour simuler l'activation des systèmes de glissement en pointe de fissure à haute température sous sollicitations cycliques. Des essais de fissuration à haute température ont alors été réalisés pour comprendre l'influence de plusieurs paramètres. On montre notamment que les effets de l'orientation cristallographique ou de l'environnement sont peu marqués. Deux modèles complémentaires de propagation de fissure sont proposés. Le premier permet d'estimer rapidement la vitesse de propagation en fonction des conditions de chargement. Il s'agit d'un post-traitement de calculs cycliques par éléments finis, utilisable à moyen terme en milieu industriel. Le deuxième modèle permet de simuler le chemin de fissuration, notamment la bifurcation de fissure. C'est un modèle d'endommagement continu. Ces outils ont été validés dans plusieurs conditions de chargement. Ils offrent des perspectives prometteuses d'amélioration des prédictions de durée de vie. L'extension des modèles au cas anisotherme, la modélisation non locale de l'endommagement et la diminution des temps de calcul sont des points sur lesquels des progrès sont possibles.

High pressure turbine blades in aerojet engines or industrial gas turbines are key parts that undergo severe thermomechanical loading conditions. These blades are often made of single crystal nickel base superalloy. Current lifetime models of these blades describe the initiation of microcracks, although several studies have shown the need to account for their propagation. The aim of this Ph. D. Thesis was to model crack propagation using the concept of local approach to fracture in fatigue and creep-fatigue. First, a crystallographic constitutive model has been calibrated for various loading conditions. This model has been used to simulate the activation of slip systems at the crack tip for cyclic loading conditions and high temperature material behaviour. Then, high temperature crack growth tests were carried out to investigate the influence of several parameters. We show in particular that crystal orientation and environment do not strongly influence crack growth for the investigated alloy. Two new complementary crack growth models are presented. The first one allows estimating quickly the crack growth rate for given loading conditions. This is a post-processing of FE simulations of a cyclically loaded static crack, which is likely to be used in the industry at mid-term. The second model allows simulating both crack growth rate and crack path, including crack bifurcation. This is a crystallographic continuous damage model. Both tools were validated in many loading conditions. The two proposed crack growth models are promising for the improvement of high pressure turbine blade lifetime predictions. Research on adaptation to anisothermal conditions, non local modelling of damage or reduction of computation time is thought to allow significant further improvements.