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

Rapid determination of the high cycle fatigue properties of aeronautical alloys using self-heating measurements under cyclic loadings

• Auteur / Autrice : Vincent Roué
• Direction : Sylvain Calloch, Cédric 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 (Nantes Université)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche Dupuy de Lôme - Institut de Recherche Dupuy de Lôme
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Safran Aircraft Engines
• Jury : Président / Présidente : Marion Risbet-Voitot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Luc Rémy, Jonathan Cormier, Fabrice Guérin, Arnaud Longuet, Quentin Pujol D'Andrebo
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Andrei Constantinescu, Ludovic Vincent

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Modèles mathématiques

Thermométrie

Transfert de chaleur

Alliages réfractaires

Matériaux -- Effets des hautes températures

Titane -- Alliages -- Fatigue

Fatigue thermique

Avions -- Matériaux

Mots clés libres

Fatigue à grand nombre de cycles (HCF)

Mesures d’auto-échauffement

Essais à haute température

Dispersion des essais de fatigue

Alliage de titane Ta6v

Superalliage monocristallin base nickel AM1

High cycle fatigue (HCF)

Self-heating measurements

High temperature testing

Determination of the fatigue scatter

Ti-6Al-4V (TA6V) titanium alloy

AM1 single crystal nickel-based superalloy

Résumé

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.

In the context of fatigue design of aircraft engine parts, the fatigue properties of materials must be correctly determined at different conditions of temperature and loading ratio. However, the fatigue characterisation could be difficult using standard methods, particularly because of the fatigue scatter, and requires a lot of specimens. In order to reduce the time and cost of fatigue characterization (especially for high temperature testing), the purpose of this study is to adapt the self-heating method for high temperature tests. This method has been developed on a wide range of steels at room temperature and used on several materials. The challenge of this study is to be able to measure a low rise of the specimen temperature, the self-heating under cyclic loadings, in a high temperature environment. In this study, the self-heating method is applied at different temperatures on two aeronautical alloys for engines applications: up to 350°C on a titanium alloy, Ti-6Al-AV (TA6V), widely used in aircraft industry, and up to 950°C on a nickel-based single crystal, AM1, used for turbine blade applications. The fatigue properties of the Ti-6Al-4V are determined from the self-heating curves using a two-scale probabilistic model. It describes the activation of dissipative phenomena under cyclic loadings, which allow the fatigue properties determination. Indeed, the fatigue limit and the fatigue scatter are directly identified on the self-heating curve, so using only one specimen per condition. These results are really promising in order to reduce the time and cost of fatigue characterization at high temperature. Moreover, simulated based investigations are performed in this study in order to evaluate the fatigue scatter identification. Classical fatigue tests (Staircase procedures) are simulated and analysed to quantify the identification uncertainties. The results are compared to the two-scale probabilistic model. The self-heating behaviour of the single crystal superalloy is different from other tested materials. Thus, the two-scale probabilistic model is not suitable to analyse the experimental observations. Thus, additional studies are presented in order to provide elements of understandings, knowing the particularities of this class of material. However, the selfheating is well detected at high temperature (up to 950°C), which means dissipative phenomena are well activated. Thus, interesting perspectives exist in order to study the fatigue properties of single crystal superalloy using self-heating measurements.