Comportement mécanique du superalliage base nickel à solidification dirigée DS200+Hf

Mechanical behavior of the directionally solidified nickel-base superalloy DS200+Hf

• Auteur / Autrice : Florent Coudon
• Direction : Georges Cailletaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance le 27/03/2017
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Florence Pettinari-Sturmel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Georges Cailletaud, Günther Eggeler, Kacem Sai, Jonathan Cormier, Lionel Marcin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Berbenni, Rodrigue Desmorat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Matériaux

Mots clés libres

Structures oligogranulaires

Modélisations multiéchelles

Essais biaxiaux cruciformes

Superalliages base nickel

Oligogranular structures

Multi-scale modeling

Biaxial cruciform tests

Nickel-base superalloys

Résumé

De nombreuses études ont permis de développer des modèles de plasticité cristalline rendant compte de l’anisotropie d’un monocristal. Les matériaux à solidification dirigée (DS) peuvent être simulés avec des modèles semblables, sous réserve de connaître la morphologie et l'orientation cristallographique des grains contenus dans la pièce. Pour éviter ces analyses microstructurales coûteuses, il est possible de développer des approches, déterministes ou analysant les dispersions de la réponse sur un lot de << pièces synthétiques >> résolues par la méthode des éléments finis. Dans cette étude, nous avons tenté d'apporter les outils nécessaires aux deux types de modélisation. Avant tout, un modèle du monograin de DS200+Hf a été identifié pour une gamme de température allant de l’ambiante à 1200°C. Ensuite, plusieurs montées d'échelle ont été envisagées, d'abord sur un volume élémentaire représentatif (VER) puis sur une structure tridimensionnelle (éprouvette cruciforme). Sur le VER, la réponse de plusieurs modèles micromécaniques a été confrontée à des calculs de référence utilisant la méthode des éléments finis. Puis, le comportement mécanique d'une éprouvette cruciforme en DS200+Hf a été étudié, en réalisant des essais expérimentaux biaxiaux qui, ensuite, ont permis d'évaluer les prévisions du modèle. Ces résultats amènent à s'interroger sur la modélisation adaptée aux structures oligogranulaires (i.e. constituées d’un faible nombre de grains) : faut-il mailler explicitement l'échelle locale (les grains) dans la structure ou malgré la non-séparabilité des échelles, le modèle homogénéisé continue-t-il de fournir des résultats satisfaisants ?

Various studies were aimed at developing crystal plasticity models to account for the anisotropic mechanical behaviour of single crystals. Directionally solidified (DS) materials can be modeled using such approaches, taking into account the underlying crystallographic structure. It requires the knowledge of the position, shape and crystallographic orientations of grains. To prevent heavy microstructure analyses, other models have to be developed for industrial calculations, using homogenization theory or considering a batch of synthetic pieces calculated using Crystal Plasticity Finite Elements Method (CPFEM). The aim of this thesis is to bring computational tools to carry out the two types of modeling for industrial applications. First of all, a crystal plasticity model for one grain of DS200+Hf is defined ranging from room temperature to 1200°C. Some scale transition rules, using full-field or mean-field approaches, are studied first in the theoretical case of a representative volume element (RVE) and then on tri-dimensional structures in order to access overall and local responses. For the RVE responses, micromechanical models are compared with a reference produced by CPFEM for various loadings. Moreover, the mechanical behaviour of a DS200+Hf cruciform specimen is studied. Biaxial tests with digital image correlation allow us to check the model predictions. These results raise questions about the modeling of oligogranular structures (i.e. with a small number of grains): should it be accepted that the local scale must be explicitly meshed, or, despite the fact that scale separability is not ensured, can we consider that the homogenized model still produces reliable results?