Optimisation Multi-échelles des Moules Carapace pour Aubes de Turbine Monocristallines

Development of Innovative Ceramic Shell Moulds for Advanced Aeronautical High-Pressure Turbine Blades

• Auteur / Autrice : Aliz Pinto Mora
• Direction : Marc Huger, Nicolas Tessier-Doyen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux Céramiques et Traitements de Surface
• Date : Soutenance le 07/09/2021
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche sur les CERamiques
• Jury : Président / Présidente : Thierry Cutard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Huger, Nicolas Tessier-Doyen, Elsa Thune
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Carmen Baudin De Lastra, Sylvain Meille

Mots clés

Mots clés contrôlés

Recristallisation (métallurgie)

Turbines

Aubes (technologie)

Moules (travail des métaux)

Mots clés libres

Moule de carapace

Monocristallin

Aubes de turbine

Shell mould

Single crystal

Turbine blade

Recrystallization

Résumé

Intégrées dans les moteurs d’avions, les aubes de turbine monocristallines à base de superalliages se doivent de résister à des sollicitations thermomécaniques sévères en conditions de service. Cependant, au cours de leur élaboration, des défauts irréparables sont susceptibles d’apparaitre après la coulée du métal en fusion en raison des interactions avec le moule carapace en céramique. En effet, un trop fort désaccord dans la contraction thermique entre le moule et la lame au refroidissement combiné à une rigidité excessive de la carapace peuvent induire de la plasticité dans des zones critiques de l'aube après solidification, ce qui peut entraîner la germination de grains parasites. L'objectif principal de cette thèse est de développer de nouvelles compositions de moules céramiques i) capables de satisfaire aux exigences thermomécaniques de la coulée et ii) présentant une rigidité amoindrie lors du refroidissement afin de garantir la santé métallurgique des aubes monocristallines. À l'aide de différents critères d'optimisation déterminés à partir des étapes critiques de la fonderie, de nouvelles matières premières ont été sélectionnées pour être ensuite incorporées dans la carapace. L'évolution de la structure, de la microstructure et des propriétés thermomécaniques de ces nouveaux moules modifiés a ensuite été étudiée avec minutie puis comparée au standard industriel pour identifier la composition dont le comportement est le mieux adapté à la fonderie des aubes monocristallines. Une vérification de leur capacité à éviter la recristallisation a été effectuée à l’aide des simulations numériques reproduisant les conditions industrielles en implémentant les propriétés de la carapace obtenues expérimentalement dans les modèles préexistants. Finalement, des tests de traction-compression sont réalisés pour mettre en évidence le comportement thermomécanique non-linéaire des moules de carapace (standard et modifiés) ce qui donne un aperçu complet du comportement thermomécanique réel de ces moules céramiques tout au long du processus de coulée.

Integrated into aircraft engines, single-crystal turbine blades based on superalloys must withstand Integrated into aircraft engines, single-crystal turbine blades based on superalloys must withstand severe thermomechanical stresses under service conditions. However, during the processing, irreparable defects are likely to appear after casting of molten metal due to interactions with the ceramic shell mould. Indeed, a too strong disagreement in the thermal contraction between the mould and the blade on cooling combined with an excessive rigidity of the carapace may induce plasticity in critical areas of the blade after solidification which can lead to the germination of parasitic grains. The principal objective of this thesis is to develop new compositions of ceramic moulds both i) capable to satisfy the thermomechanical requirements of casting and ii) exhibiting a reduced rigidity (compliancy) during cooling in order to ensure the metallurgical health of monocrystalline blades. With the help of optimization criteria determined from critical stages of the casting process, new raw materials were selected to be later incorporated into ceramic shell moulds. The structural, microstructural and thermomechanical evolution of these modified shell moulds is later carefully investigated and compared to the industrial standard to assess which compositions exhibit a more adapted thermomechanical behaviour for the casting of single crystal blades. To verify the effectiveness of these modified shells in reducing recrystallization, industrial FEM simulations have been performed by inputting experimentally obtained shell properties in pre-existing numerical simulation models. Finally, tension-compression tests have highlighted the non-linear thermomechanical behaviour of ceramic shell moulds (both standard and modified) which gives a more complete overview of the behaviour of these shell moulds through the casting process.