Thèse soutenue

Détermination rapide des propriétés en fatigue à grand nombre de cycles à partir de mesures d’auto-échauffement sous sollicitations cycliques : application aux alliages métalliques pour turboréacteurs aéronautiques

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Auteur / Autrice : Vincent Roué
Direction : Sylvain CallochCédric Doudard
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
Date : Soutenance le 09/10/2020
Etablissement(s) : Brest, École nationale supérieure de techniques avancées Bretagne
Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Centrale Nantes)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche Dupuy de Lôme - Institut de Recherche Dupuy de Lôme
Entreprise : Safran Aircraft Engines
Jury : Président / Présidente : Marion Risbet-Voitot
Examinateurs / Examinatrices : Luc Rémy, Jonathan Cormier, Fabrice Guérin, Arnaud Longuet, Quentin Pujol D'Andrebo
Rapporteurs / Rapporteuses : Andrei Constantinescu, Ludovic Vincent

Résumé

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Dans le contexte aéronautique, les méthodes de dimensionnement doivent être toujours plus efficaces. Il est alors nécessaire de disposer des propriétés en fatigue à grand nombre de cycles pour de nombreux matériaux et à différentes températures. De plus, l’aspect dispersif de la fatigue peut rendre la caractérisation en fatigue délicate. Par des méthodes classiques, il est nécessaire de réaliser de très nombreux essais de fatigue, ce qui s’avère long et coûteux (d’autant plus pour des essais à haute température). L’objectif de l’étude est de mettre en place une méthode de détermination rapide des propriétés en fatigue à grand nombre de cycles à partir de mesures d’auto-échauffement. Il s’agit alors d’un challenge expérimental de taille. En effet, le dispositif doit être capable de détecter les faibles variations de température de l’éprouvette, son auto-échauffement sous sollicitations cycliques, dans un environnement à haute température. Dans le cadre de ces travaux de thèse, des courbes d’auto-échauffement à différentes températures sont obtenus pour deux matériaux très différents : un alliage de titane TA6V pour des applications basse température des turboréacteurs (jusqu’à 350°C) et un superalliage monocristallin base nickel l’AM1, pour des applications d’aubes de turbine (à 950°C). L’analyse des courbes d’auto-échauffement du TA6V est réalisée à l’aide d’un modèle probabiliste à deux échelles. Il permet de faire le lien entre l’auto-échauffement du matériau et les propriétés en fatigue en décrivant l’activation de mécanismes dissipatifs. Avec le modèle et les hypothèses associées, il est alors possible de déterminer la limite d’endurance et la dispersion en fatigue à partir d’un seul essai d’auto-échauffement pour chaque condition de température et de rapport de charge. Cela constitue alors un gain considérable en termes de temps et de coût de caractérisation. Des études par simulations numériques ont été réalisées pour quantifier la robustesse de l’identification des propriétés en fatigue à partir de méthodes classiques (de type Staircase), et en comparaison avec le cadre du modèle probabiliste à deux échelles d’auto-échauffement. Le comportement en auto-échauffement du superalliage monocristallin est différent de ce qui est classiquement observé. Il ne rentre alors pas dans le cadre du modèleprobabiliste à deux échelles d’auto-échauffement utilisé précédemment. Des études complémentaires sont présentées dans ce manuscrit afin de mieux comprendre ces aspects, notamment à partir des particularités de ce type de matériaux. Un auto-échauffement sous sollicitation cyclique est bien constaté à haute température, traduisant donc l’activation de mécanismes dissipatifs. Ce qui constitue des perspectives intéressantes pour l’étude de la fatigue de cette classe de matériau.