Modélisation multi-échelles du comportement mécanique des alliages TiAl pour la prévision de leur tenue en fatigue

Multiscale modeling of TiAl alloys : mechanical behavior and microstructure-sensitive fatigue analysis

• Auteur / Autrice : Pierre Serrano
• Direction : Alain Couret, Louise Toualbi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et Génie des Matériaux
• Date : Soutenance le 09/10/2020
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales (Toulouse ; 1988-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métaux -- Fatigue

Propriétés mécaniques

Titane -- Alliages

Cristaux -- Propriétés plastiques

Mots clés libres

TiAl

Fatigue

Multi-échelles

Plasticité cristalline

Matériaux numériques

Comportement mécanique cyclique

TiAl

Fatigue

Multiscale

Crystal Plasticity

Integrated Computational Material Engineering

Cyclic Stress Strain Behavior

Résumé

Les alliages à base d'aluminures de titane (TiAl) sont des matériaux légers introduits dans la dernière génération de turboréacteurs pour l'aéronautique civil sous la forme d'aube de turbine basse pression. Ces alliages disposent notamment d'excellentes propriétés mécaniques à haute température et d'une résistance spécifique élevée. Leur utilisation reste cependant délicate du fait de leur faible ductilité et ténacité à température ambiante. Afin de trouver de nouvelles applications à ces matériaux, les deux principaux défis pour les futures générations d'alliage sont l'augmentation de la température d'utilisation et l'amélioration des propriétés en fatigue thermomécanique. Dans cette optique, le présent travail consiste à établir un lien entre la microstructure des alliages TiAl et leur tenue en fatigue. Pour cela, des travaux expérimentaux et numériques sont réalisés à différentes échelles d'intérêt sur les quatre microstructures dites génériques de ces matériaux. Dans un premier volet expérimental, un lien entre microstructure et comportement mécanique cyclique est établi via la réalisation d'essais mécaniques à l'échelle macroscopique (i.e. réponse contrainte-déformation), et d'essais micromécaniques qui permettent d'étudier la répartition de la déformation dans la microstructure. Dans un deuxième volet numérique, un modèle de plasticité cristalline permettant de tenir compte des spécificités des microstructures à structure lamellaire des alliages TiAl est défini. Les comportements mécaniques cycliques des quatre microstructures génériques sont ensuite modélisés via la réalisation de calculs éléments finis sur microstructures virtuelles et homogénéisation numérique. Enfin, cette modélisation est utilisée afin de réaliser une analyse aux Indicateurs de Tenue en Fatigue (ITF). Cette analyse permet de comparer les tenues en fatigue des différentes microstructures et d'identifier les éléments microstructuraux qui pilotent la durée de vie en fatigue pour différents régimes de sollicitation. Les résultats obtenus permettent alors d'effectuer un retour vers la métallurgie en indiquant les zones à renforcer pour améliorer les propriétés en fatigue de futurs alliages.

Technological advances in aircraft engine design require the use of lightweight materials at increasingly high temperatures. Therefore, intermetallics titanium aluminide alloys based on ''dollar''\gamma''dollar''-TiAl have been introduced in the most recent civil turbo-engines as low pressure turbine blades. To extend the use of this material to other application technologies, new alloys are being developed with enhanced mechanical properties. Particularly, material development teams focus on increasing the working temperature and the fatigue strength. The aim of this work is to study the link between TiAl alloys microstructures and their fatigue strengths. Both experimental and numerical aspects are studied at various scales of interest. To begin with, the cyclic deformation of TiAl generic microstructures is studied experimentally by performing standard testing (i.e. stress-strain response) and micro-scale testing. Then, a crystal plasticity model that can be used to take into account the specific behavior of lamellar colonies is defined. The mechanical behavior of TiAl alloys is thereafter modeled by means of finite element computation on statistically representative microstructures and computational homogenization. Lastly, a Fatigue Indicator Parameters (FIP) analysis is performed to identify the various fatigue hot spot within TiAl microstructures. The results are used to suggest microstructure designs that could improve the fatigue strength of TiAl alloys next generation.