Approche multi-échelle de l’oxydation sous contrainte appliquée aux superalliages à base de nickel : de la déformation localisée aux prémices d’endommagement mécano-chimique

Multiscale approach of the stress-assisted oxidation of nickel-based superalloys : from strain localization to the onset of mechanochemical damage

• Auteur / Autrice : Charles Romain
• Direction : Denis Delagnes, Damien Texier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 15/12/2022
• Etablissement(s) : Ecole nationale des Mines d'Albi-Carmaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader-Albi (2009-....) - Institut Clément Ader / ICA
• Jury : Président / Présidente : Nathalie Bozzolo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Denis Delagnes, Damien Texier, Eric Hug, Cécilie Duhamel, Jonathan Cormier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eric Hug, Cécilie Duhamel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Déformations (mécanique)

Microstructure (physique)

Micromécanique (physique du solide)

Réactivité de surface

Alliages réfractaires

Mots clés libres

Superalliages à base de nickel

Localisation de la déformation

Réactivité de surface

Gradient de propriétés

Micromécanique in-situ

Nickel base superalloys

Strain localization

Surface reactivity

Graded properties

In-situ micromechanical testing

Résumé

Les superalliages à base de nickel sont largement utilisés pour des applications structurelles à haute température et à température intermédiaire dans des atmosphères sévères. La dégradation assistée par l'environnement, c'est-à-dire l'oxydation et la corrosion, modifie la surface des matériaux, mais également leurs propriétés à cœur en raison d'une consommation sélective et progressive des éléments réactifs impliqués dans les processus de dégradation de la surface. Le matériau situé à proximité de la surface réactive présente un gradient de composition chimique, de microstructure et de propriétés physiques. Malgré l'échelle négligeable de ces gradients (de quelques micromètres à quelques centaines de micromètres sous la surface) par rapport aux dimensions du composant structurel, la variabilité du comportement mécanique au sein du gradient entraîne souvent des dommages prématurés et la rupture progressive du composant. Afin de quantifier ces évolutions, la caractérisation micromécanique des propriétés mécaniques des matériaux du gradient est importante. En raison de la forte variabilité des propriétés mécaniques au sein des matériaux gradués, des techniques de caractérisation micromécanique sont nécessaires. La caractérisation de matériaux vieillis et pré-oxydés est réalisée à la température de 700°C, de même qu'à 800°C, afin d'exacerber les conséquences de l'oxydation et d'augmenter ce gradient de propriétés à iso-durée de traitement thermique. La caractérisation mécanique des éprouvettes ultraminces (quelques dizaines de micromètres d'épaisseur) en traction et fatigue est réalisée avec suivi macroscopique par corrélation d'image. En plus des valeurs macroscopiques, une investigation spécifique de la surface pour des mesures cinématiques plein champ permet d'obtenir des informations locales sur les mécanismes de déformation et d'endommagement à l'échelle de la microstructure. Le présent projet propose de s'attaquer à la dimension multi-physique complexe de l'évaluation de la déformation/de l'endommagement assisté par l'environnement en corrélant simultanément la déformation macroscopique/mésoscopique et sous-microstructure/sous-micromètre et les changements de réactivité de surface (microfissuration des oxydes, oxydes à croissance rapide, oxydation par rupture, etc. ) à haute température dans diverses conditions atmosphériques. L'objectif principal de cette caractérisation expérimentale in-situ est d'apporter une nouvelle compréhension et une prédiction plus physique du comportement mécanique local et temporel des matériaux gradués à l'échelle de la microstructure en relation avec les interactions environnementales.

Nickel-based superalloys are widely used for structural applications at high and intermediate temperatures in severe atmospheres. Environmentally assisted degradation, i.e. oxidation and corrosion, alters not only the surface of the materials, but also their core properties due to a selective and progressive consumption of the reactive elements involved in the surface degradation processes. The material in a shallow region beneath the reactive surface subsequently shows a gradient in chemical composition, microstructure and physical properties. Despite the negligible scale of those gradients (from micrometers to hundreds of micrometers beneath the surface) relative to the dimensions of the structural component, the variability in mechanical behavior within the gradient often drives premature damage and progressive failure of the component. In order to quantify these developments, micromechanical characterization of the mechanical properties of gradient materials is important. Due to the high variability of mechanical properties within graded materials, micromechanical characterization techniques are required. Materials are characterized in aged and pre-oxidized at the temperature of 700°C. These same characterizations are also carried out at 800°C, in order to exacerbate the consequences of oxidation and to increase this gradient of properties at iso-duration of heat treatment. The mechanical characterization of ultrathin specimens (a few tens of micrometers thick) in tension and fatigue is carried out with macroscopic monitoring by image correlation. In addition to the macroscopic values, a specific investigation of the surface for full-field kinematic measurements allows obtaining local information on the deformation and damage mechanisms at the microstructure scale. The present project proposes to tackle the intricate multi-physics dimension of the environment-assisted deformation/damage evaluation by simultaneously correlating the macroscopic/mesoscopic and sub-microstructure/sub-micrometer deformation and the changes in surface reactivity (oxide microcracking, oxide spallation, fast-growing oxides, breakaway oxidation, etc.) at high temperature in various atmosphere conditions. The main aspiration of this in-situ experimental characterization is to bring a novel understanding and a more physical prediction of the local and time-evolving mechanical behavior of graded materials at the microstructure scale related to environmental interactions.