Etude de l'amorçage de fissures dans l'alliage 718 "Direct Aged" sous sollicitations thermomécaniques couplées

Study of cracks initiation in 718 alloy direct aged under coupled thermocechnical behavior

• Auteur / Autrice : Maxime Perrais
• Direction : Dominique Poquillon, Eric Andrieu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science et Génie des Matériaux
• Date : Soutenance le 17/11/2015
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Inter-universitaire de Recherche et d’Ingénierie des Matériaux (Toulouse ; 1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Gilbert Hénaff
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Poquillon, Benoît Ter-Ovanessian, Denis Delagnes, Anthony Burteau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gilbert Hénaff, Jérôme Crépin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxydation

Couplage oxydant

Nickel -- Alliages

Mots clés libres

Alliage 718

Couplage oxydation/mécanique

718 alloy

Tensil test with oxidation

Résumé

L'alliage 718 est un superalliage à base de nickel très utilisé par l'industrie dans la mesure où il offre de nombreuses latitudes en termes d'optimisation de propriétés en regard des conditions d'utilisation. L'industrie aéronautique, plus particulièrement les motoristes comme SNECMA, l'utilise pour réaliser les disques de turbine des turboréacteurs. Ces disques sont forgés puis subissent un traitement thermique dit « Direct Aged » qui confère à l'alliage les propriétés mécaniques requises pour cette application. Cependant, lorsque l'on dépasse 550°C, l'alliage 718 présente, en fonction de son histoire de fabrication, une sensibilité plus ou moins importante à la fissuration assistée par l'oxydation. Cette étude se propose donc d'aborder la problématique de l'amorçage de fissures dans diverses conditions de chargement pour la microstructure DA. Pour mener ce travail, une géométrie inhabituelle d'éprouvette est utilisée : l'éprouvette en V. Celle-ci permet de localiser la déformation en surface dans des conditions de triaxialité des contraintes proches de celles rencontrées dans certains composants. Afin de découpler l'action de l'oxydation de celle liée à la sollicitation, un dispositif expérimental de traction sous air et sous vide a été employé. Une analyse systématique par microscopie électronique à balayage des surfaces sollicitées a été menée pour localiser et quantifier l'amorçage. Celui-ci se produit sur deux types de site, les carbures/carbonitrures et les joints de grains. Grâce à une approche quantitative, les conditions expérimentales conduisant à un mode d'amorçage privilégié ont pu être déterminées. Les résultats obtenus montrent l'intérêt de la géométrie d'éprouvette en V pour favoriser et quantifier l'amorçage des fissures. Ces résultats semblent mettre en évidence une inhibition de l'amorçage de fissures intergranulaires par l'oxydation dans l'alliage 718 DA, ce qui correspond à un comportement original pour un alliage 718. La microstructure particulière des joints de grains de l'alliage 718 DA semble être à l'origine du comportement spécifique observé.

Alloy 718 is a nickel-based superalloy widely used in the industry insofar as it provides many options in terms of properties optimization in view of using conditions. Aeronautics industry, more specially aircraft engine manufacturer like SNECMA, uses this alloy to manufacture disks of turbojet engine. These disks are forged then aged by a specific thermal treatment called ?Direct Aged? (DA) in order to achieve needed mechanical properties for this application. However, above 550°C, the alloy 718 is known to be relatively sensitive to oxidation assisted intergranular cracking, depending upon its fabrication history. This study therefore proposes to investigate crack initiation problems in various loading conditions for DA alloy 718. To carry out this work, uncommon samples are used: V-shape specimens. This geometry allows localizing strain at the sample surface under conditions of stress triaxiality similar to those endured in real components. Tests were both conducted under air or under vacuum to understand the effect of oxidation on crack initiation. A systematic analysis of the stressed samples, using scanning electron microscopy, was performed to observe and quantify crack initiation. Cracks initiate on two types of sites, carbides/carbonitrides and grain boundaries. Thanks to a quantitative approach, experimental parameters which determine crack initiation mode have been identified. Experimental results have shown the advantage of the V-shape specimen geometry to promote and quantify crack initiation. In addition, these results highlight that intergranular crack initiation seems inhibited by oxidation in DA alloy 718, which is corresponding to an unusual behavior for an alloy 718. The microstructure near grain boundaries appears to cause this specific behavior.