Etude d'apparition de grains recristallisés dans un superalliage base nickel monocristallin pour application aux aubes de turbine

Study of recrystallized grains occurence in single crystal nickel-based superalloys for turbine blades application

• Auteur / Autrice : Emile Hazemann
• Direction : Charles-André Gandin, Michel Bellet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique numérique et Matériaux
• Date : Soutenance le 19/12/2022
• 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 : Roland Fortunier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Charles-André Gandin, Michel Bellet, Jonathan Cormier, Carl Labergère, Karim Inal, Virginie Jaquet, Yancheng Zhang
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jonathan Cormier, Carl Labergère

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation électrothermique

Nickel -- Alliages

Recristallisation (métallurgie)

Métaux

Mots clés libres

Recristallisation

Comportement mécanique

Superalliage base Nickel

Microstructure

Cmsx-4

Modélisation

Recrystallization

Mechanical behaviour

Nickel-Based superalloy

Microstructure

Cmsx-4

Modelling

Résumé

Dans ce travail, on s’intéresse à formation de grains recristallisés dans les aubes de turbine monocristallines en superalliage base nickel. La présence de ces grains est rédhibitoire car elle diminue de manière drastique les propriétés mécaniques de la pièce. La germination de ces grains résulte d’une part de l’introduction d’une déformation plastique de la matière, lors de sa solidification et de son refroidissement dans le moule de coulée et d’autre part, du traitement thermique subséquent. Afin de prédire la germination et la croissance de grains recristallisés dans une aube, il est fondamental d’identifier 1 ) le comportement mécanique de l’alliage pendant son refroidissement lors de l’étape de coulée et 2 ) un critère de recristallisation à partir de l’état mécanique de la matière. Ces travaux s’articulent autour de ces deux axes, spécifiquement pour le cas du MSX-4. Dans le premier axe, on identifie le comportement du CMSX-4 brut de fonderie avec une loi élastoviscoplastique anisotrope à partir d’essais de traction-relaxation et de simulations par la méthode des éléments finis. Les paramètres de la loi sont identifiés par analyse inverse. Dans le deuxième axe, on s’intéresse à reproduire les chargements thermomécaniques de zones critiques vis-à-vis de la recristallisation dans une aube pendant la solidification et le refroidissement. Ces chemins sont reproduits via des essais de traction anisothermes, suivis d’un traitement thermique d’homogénéisation standard pour révéler ou non la présence de grains recristallisés. Les chemins thermomécaniques anisothermes sont ensuite modélisés avec le comportement identifié dans le premier axe de recherche, dans le but d’identifier un critère de recristallisation.

The current work's aim is to understand recrystallized grains formation in single-crystal nickel-based superalloys for turbine blades application. The presence of such grains, with large misorientation compared to the single-crystal's orientation, is prohibitive because it decreases dramatically the mechanical behaviour of the part. On one hand, nucleation of recrystallized grains is related to the amount of strain introduced in the alloy during solidification and cooling, and on the other hand, to subsequent heat treatment. To predict nucleation and growth of recrystallized grains, one needs to identify 1) the mechanical behaviour of the alloy during solidification and cooling 2) a recrystallization criterion based on the mechanical state of the matter. The present work is built around these two research axes, specifically for CMSX-4, a second-generation nickel-base superalloy. In the first axis, we identify as-cast CMSX-4 behaviour with an elastic viscoplastic constitutive law, using tensile-relaxation tests and finite elements modelling. The identified model considers single crystal anisotropy at temperatures and strains rates representative of casting process. The parameters of the constitutive laws are identified using inverse analysis, using tensile-relaxation tests, at constant temperatures, on as-cast CMSX-4 samples with tensile direction oriented along <001>, <110> and <111> crystallographic orientations. Tests are performed with a resistive heating machine, using contactless instrumentation (infrared pyrometry and digital image correlation). In the second axis, our interest is to reproduce thermomechanical paths of areas that are critical regarding recrystallization in a turbine blade, during solidification and cooling. These paths are simulated with tensile tests at different stress rates and a constant cooling rate, for specimens with different orientations. Tested specimens undergo standard homogenization heat treatment to reveal or not the presence of recrystallized grains. Thermo-mechanical paths are then simulated with constitutive law identified in the first axis, to identify a recrystallization criterion.