Mécanismes d’amorçage de fissures en régime d’interactions fatigue-temps de maintien dans l’Inconel 718

Crack Initiation Mechanisms in Dwell Fatigue in Inconel 718

• Auteur / Autrice : Mélanie Czaplicki-Bordas
• Direction : Patrick Villechaise, Jonathan Cormier, Vincent Roué
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 24/10/2023
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime / PPRIME
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marion Risbet-Voitot, Damien Texier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jérôme Crépin, Dominique Poquillon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métaux -- Fatigue

Nickel -- Alliages

Joints de grains

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Durée de vie (ingénierie)

Oxydation

Fluage

Fissuration

Effets des hautes températures

Alliages réfractaires

Mots clés libres

Inconel 718

Interaction fatigue-temps

Temps de maintien

Inconel 718

Time-fatigue interaction

Holding time

Résumé

L’Inconel 718 est le superalliage base Nickel le plus utilisé dans le domaine de l’aéronautique. En service, l’alliage est majoritairement soumis à des modes d’endommagement par fatigue. Cependant, en raison d’interactions complexes, des temps de maintien peuvent être introduits au maximum et/ou minimum de la sollicitation. De par la recherche continuelle à augmenter le rendement des turboréacteurs, la température au sein de ces derniers se voit également augmenter. Les courts temps de maintien ainsi introduits deviennent alors non négligeables et auront un impact direct sur le comportement, l’endommagement et la durabilité de l’alliage. Le but de la thèse est de comprendre les mécanismes d’amorçage de fissures sous ces chargements de fatigue avec temps de maintien. Des essais de fatigue avec temps de maintien à 610°C ont montré une transition dans les mécanismes d’amorçage de fissures en fonction du temps de maintien passant d’un amorçage sur inclusion à un amorçage plus distribué de type fluage. Des essais sous vide ont également confirmé que l’oxydation est le mode d’endommagement de premier ordre. En augmentant le temps de maintien, l’oxydation aux joints de grains augmente également, diminuant leur contrainte de cohésion et favorisant un amorçage de fissure intergranulaire. Également, un temps de maintien en compression n’induit pas/peu d’oxydation aux joints de grains. Des essais interrompus ont permis de suivre l’endommagement et de montrer que les inclusions sont dans un premier temps oxydées et fissurées puis les joints de grains suivent le même schéma (oxydation puis fissuration). Une réelle interaction entre le chargement et l’oxydation a également été mise en évidence. Finalement, des essais de corrélation d’images à haute résolution ont montré que ce sont les joints de grains perpendiculaires à la direction de chargement et fortement désorientés cristallographiquement qui localisent de la déformation puis conduisent à l’amorçage de fissures.

Inconel 718 is the most popular Nickel based superalloy used for aerospace applications. In service, this alloy is mainly subjected to fatigue damage mechanisms. However, due to complex interactions, hold times can be introduced at maximum and/or minimum applied stress. To improve the efficiency of aero-engines, an increase of the hot sections temperature is mandatory. With this increase of temperature, the short hold times introduced will then have an impact on the durability, the behaviour and the damage mechanisms of the parts. The aim of this study is to have a better understanding of the crack initiation mechanisms in dwell fatigue of alloy 718. Dwell fatigue tests at 610°C showed a transition in the crack initiation mechanisms as a function of the hold time, from non-metallic inclusions to a more distributed damage. Dwell fatigue tests performed in vacuum confirmed that oxidation is the main damage mechanism. By increasing the hold time, oxidation at grain boundaries becomes more pronounced, reducing their cohesion stress and leading to intergranular crack initiation. Compression hold time had (almost) no impact on the oxidation at grain boundaries. Interrupted tests were performed to follow the evolution of damage. Non-metallic inclusions and then grain boundaries are oxidised and cracked. A strong interaction between mechanical loading and oxidation has been highlighted. High resolution digital image correlation tests showed that high angle grain boundaries perpendicular to the loading direction are localising most of the deformation and are then leading to crack initiation.