Détection et simulation d'instabilités viscoplastiques dans les disques de turbines

Detection and simulation of viscoplastic instabilities in rotating turbine disks

• Auteur / Autrice : Natan Guillermin
• Direction : Matthieu Mazière, Samuel 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)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Clotilde Berdin-Meric
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Matthieu Mazière, Samuel Forest, Ahmed Benallal, Hervé Chalons, Jacques Besson
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Yves Manach, Sébastien Mercier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux

Turbomachines

Matériaux -- Détérioration

Mots clés libres

Eclatement de disques de turbine

Super-alliage base nickel

Vieillissement dynamique

Critère de rupture multiaxial et local

Effet Portevin-Le Chatelier

Bande de localistaion

Viscoplastic instabilities

Disc burst

Nickel base superalloy

Strain localization bands

Multiaxial and local fracture criterion

Portevin-Le Chatelier effect

Résumé

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.

When developing aeronautical turbomachinery, engine manufacturers must prove the integrity of rotating parts by certification. The regulations require that the bursting speed of the turbine disk be at least 20% higher than its operating speed. The general objective of this thesis is to predict more accurately the bursting speed of a turbine disk made of Inconel718,a nickel-based superalloy. The first step requires precise knowledge of the material’s response to several types of thermomechanical loading and is, therefore, part of a global reflection on the optimization of the geometry of the disc, the reduction of the dimensioning margins, and the reduction of the manufacturing costs. Several geometries of specimens stressed in uniaxial and biaxial tension were developed and tested at both room and high temperatures (20°C and 500°C respectively) to represent all the local solicitation states encountered by the disc in service conditions. A patent-pending laser marking technique was developed to visualize the global and local displacement fields allowing for better pattern resistance and higher resolution. An isotropic viscoplastic behavior law could be finely established by an inverse method taking into account the mechanical tests obtained on all the geometries. Among several plasticity criteria, Hosford's criterion was adopted to which was added McCormick's model to take into account the Portevin-Le Chatelier instabilities appearing at high temperature. Moreover, the incorporation of the testing machine stiffness in the model allows for a better consistency with the experimental results and significantly reduces the calculation time. A fracture criterion has been established. It is local, multiaxial, and decoupled from the behavior model. This purely phenomenological criterionis based on the Hosford triaxiality and the Lode parameter in plastic strain rate and has the particularity to account forbiaxial stress states. A fracture surface at room temperature has been obtained allowing for the prediction of bursting speeds higher than those conventionally obtained by a global approach. At high temperatures, the PLC effect generatesa redistribution of the damage field at the passing of a band delaying the appearance of a localization band lethal to the material. The fracture surface at high temperature is identical to that obtained at room temperature. Finally, all these results lead to a recommendation of a protocol for the identification of the rupture criterion applicable in the industrial field. This work could thus contribute to refining, even to optimizing, the geometrical parameters of the discaccording to desired criteria such as the location of rupture and/or the admissible speed of bursting while having better control of the margins of dimensioning and the development costs