Evolutions de la microstructure lors du forgeage à chaud de l'alliage VDM Alloy 780 : mécanismes, cinétique et modélisation champ moyen

Microstructure evolutions during hot forging of VDM Alloy 780 : mechanisms, kinetics and mean field modelling

• Auteur / Autrice : Juhi Sharma
• Direction : Nathalie Bozzolo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique numérique et Matériaux
• Date : Soutenance le 22/10/2021
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de mise en forme des matériaux (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Marc Bernacki
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nathalie Bozzolo, Charbel Moussa, Bodo GEHRMANN
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Catherine, M., F. Rae, Léo Kestens

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Matériaux

Nickel -- Alliages

Mots clés libres

Superalliages polycristallins base nickel

Forgeage à chaud

Croissance de grains

Précipitation

Modélisation en champ moyen

Recristallisation

Polycrystalline nickel-Based superalloys

Hot forging

Grain growth

Precipitation

Mean field modelling

Recrystallization

Résumé

La demande de réduire les niveaux d'émissions CO2 dans les moteurs d'avions a motivé le développement de nouveaux alliages à haute température. VDM Alloy 780 est un nouveau superalliage polycristallin base nickel, développé pour les applications de disques de turbine, avec des températures de service jusqu'à 750°C. VDM Alloy 780 comprend une phase durcissant γ′, en plus des précipités en forme de plaquette aux joints de grains qui sont identifiés comme phase η/δ (notamment η mais susceptible d'inclure de fines couches de δ). Connaitre précisément les évolutions microstructurales survenant pendant le forgeage industriel est crucial pour contrôler les propriétés finales de l'alliage. Les propriétés microstructurales ont été caractérisées grâce à une série de traitements thermiques isothermes, d'analyses microstructurales, de techniques EBSD avancées et de mesures de résistivité électrique. Les mécanismes et la cinétique de recristallisation dans le domaine supersolvus ont été déterminés à l’aide des essais de compression à chaud approximant les conditions de forgeage industriel. Les cinétiques de recristallisation dynamique et post-dynamique ont été établies en fonction des paramètres thermomécaniques tels que la déformation, la vitesse de déformation, la température et le temps de maintien post-déformation. Un modèle en champ moyen a été calibré sur base des résultats expérimentaux. Ce modèle est capable de prédire correctement les évolutions microstructurales dans le domaine monophasé. De plus, l'influence des précipités sur la recristallisation dans le domaine subsolvus a été étudiée. Cette thèse fournit des éléments utiles pour l’optimisation des conditions de forgeage industriel pour ce nouveau superalliage afin d'obtenir une microstructure homogène à grains fins.

The demand to reduce the emission levels in aircraft engines has motivated the development of new high temperature alloys. VDM Alloy 780 is a new polycrystalline nickel-based superalloy, developed for turbine disc applications, with higher service temperatures up to 750°C. VDM Alloy 780 comprises of γ′ strengthening phase, in addition to the grain boundary plate-like precipitates which are identified as η/δ phase (mostly η phase but likely to include thin δ layers). A precise evaluation of the microstructural evolutions during the multistep industrial forging operations is crucial to the final properties of the alloy. Through a series of isothermal heat treatments, microstructural analyses, advanced EBSD techniques and electrical resistivity measurements, a detailed description of the precipitation behavior, associated precipitate shape and size evolutions as well as the grain growth kinetics were obtained. Hot compression tests were designed in accordance with the industrial forging conditions to determine the recrystallization mechanisms and kinetics in the supersolvus domain. The dynamic and post-dynamic recrystallization kinetics were established in function of the thermomechanical parameters such as strain, strain rate, temperature and post-deformation holding time. A mean field model was calibrated based on those experimental results and proved to be capable of correctly predicting the microstructural evolutions in the single-phase domain. In addition, the influence of the second phase particles on the recrystallization behavior in the subsolvus domain was investigated. This work provides guidelines to optimize the industrial forging conditions for this new superalloy to obtain a homogenous and fine-grained microstructure.