Thèse soutenue

Détection et simulation d'instabilités viscoplastiques dans les disques de turbines
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Auteur / Autrice : Natan Guillermin
Direction : Matthieu MaziereSamuel Forest
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Mécanique
Date : Soutenance le 23/03/2022
Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique (Paris)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne)
établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
Jury : Président / Présidente : Clotilde Berdin-Meric
Examinateurs / Examinatrices : Matthieu Maziere, Samuel Forest, Ahmed Benallal, Hervé Chalons, Jacques Besson
Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Yves Manach, Sébastien Mercier

Résumé

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Lors du développement de turbomachines aéronautiques, les motoristes doivent prouver par certification l'intégrité des pièces tournantes. Ainsi, la réglementation impose que la vitesse d’éclatement du disque de turbine soit supérieure d’au moins 20% à sa vitesse d’utilisation. L'objectif général de la thèse vise donc à prédire plus justement la vitesse d’éclatement d’un disque de turbine en Inconel718, un super-alliage à base de nickel. La première étape nécessite de connaître en amont avec précision la réponse du matériau lors de plusieurs types de chargements thermomécaniques et s’inscrit donc dans une réflexion globale d’optimisation de la géométrie du disque, de la réduction de marges de dimensionnement et de la réduction de coûts de fabrication. Plusieurs géométries d’éprouvettes sollicitées en traction uniaxiale et en traction biaxiale ont été développées et testées à deux températures, 20°C et 500°C pour représenter tous les états de sollicitation locaux rencontrés par le disque au cours de son utilisation. Une technique par marquage laser, ayant fait l’objet d’un dépôt de brevet, a été mise au point pour visualiser le champ de déplacement global et local en permettant une meilleure tenue du motif et une plus grande résolution. Une loi de comportement viscoplastique isotrope a pu être finement établie par une méthode inverse en prenant en compte les essais mécaniques obtenus sur l’ensemble des géométries. Parmi plusieurs critères de plasticité, celui d’Hosford a été adopté auquel a été ajouté le modèle de McCormick pour tenir compte des instabilités de type Portevin-Le Chatelier apparaissant à haute température. De plus, la prise en compte de la rigidité machine dans la modélisation permet une meilleure concordance avec les résultats expérimentaux et réduit notablement les temps de calculs. Un critère de rupture local, multiaxial et découplé du modèle de comportement a été construit. Celui-ci, purement phénoménologique, repose sur la contrainte équivalente d’Hosford et le paramètre de Lode en vitesse de déformation plastique et a la particularité de rendre compte d’états de sollicitation en bi-traction. Une surface de rupture à température ambiante a été obtenue permettant la prédiction de vitesses d’éclatement supérieures à celles obtenues classiquement par une approche globale. A haute température, l’effet PLC engendre une redistribution du champ d’endommagement au passage d’une bande retardant l’apparition d’une bande de localisation fatale au matériau. La surface de rupture à haute température s’avère identique à celle obtenue à température ambiante. Enfin l’ensemble de ces résultats conduit à une préconisation de protocole d’identification du critère de rupture applicable dans le milieu industriel. Ce travail pourrait ainsi contribuer à affiner, voire à optimiser, les paramètres géométriques du disque en fonction de critères souhaités tels que l’endroit de rupture et/ou la vitesse admissible d’éclatement tout en ayant une meilleure maîtrise des marges de dimensionnement et des coûts de développement.