Micromécanismes de déformation et propriétés en traction de superalliages base nickel monocristallins avancés

Deformation micromechanisms and tensile properties of advanced single crystal nickel-based superalloys

• Auteur / Autrice : Benoît Mansoz
• Direction : Florence Pettinari-Sturmel, Jonathan Cormier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et Génie des Matériaux
• Date : Soutenance le 16/01/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales (Toulouse ; 1988-....)
• Jury : Président / Présidente : Bernard Viguier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Fivel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Philippe Couzinié, Vincent Maurel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Travail à chaud

Matériaux

Nickel -- Alliages

Alliages réfractaires

Mots clés libres

Micromécanismes de déformation

Superalliages base nickel

Essais de traction

Microscopie électronique en transmission

Dislocations

Propriétés mécaniques

Deformation micro-mechanisms

Ni-based superalloys

Tensile tests

Transmission electron microscopy

Dislocations

Mechanical properties

Résumé

La hausse de la température de fonctionnement des turbomachines a nécessité le développement de nouvelles générations de superalliages monocristallins plus résistants à hautes températures. En 40 ans, leur composition chimique a évolué pour incorporer de plus en plus d'éléments réfractaires (Re et Ru). Cependant, cette amélioration des propriétés mécaniques à hautes températures des superalliages s'est accompagnée d'une baisse de la limite d'élasticité à basse températures (T < 700 °C). Ce travail de thèse consiste à étudier le comportement en traction à 650 °C des superalliages base-Ni monocristallins. Pour cela, 17 superalliages monocristallins, issus des différentes générations, ont été testés en traction à 650 °C/5.10-4 s-1 à l'institut Pprime. Cette première étude a permis d'acquérir une riche base de données et a mis en valeur des écarts importants de limite d'élasticité (jusqu'à 300 MPa) entre les alliages de première génération et des alliages plus avancés. Un écrouissage particulièrement important a aussi été observé dans les alliages PWA 1480 (1ère génération) et TMS-238 (6ième génération). Des essais interrompus à 0,5 % et 1 % de déformation plastique ont aussi été réalisés afin de caractériser les micromécanismes de déformation par microscopie électronique en transmission au CEMES. Ces analyses ont montré que dans la plupart des alliages, la déformation plastique se concentre dans des bandes de glissement et est portée par des paires de dislocations parfaites. À 650 °C, le principal paramètre influençant la limite d'élasticité apparaît être le passage de l'interface y/y'. Ce paramètre dépend principalement de l'énergie de paroi d'antiphase de la phase y. Cette énergie de faute a été estimée à l'aide de modèles calculatoires dans les 17 alliages testés et mesuré expérimentalement dans le superalliage TROPEA. Il en ressort que les alliages avec les meilleures limites d'élasticité sont aussi ceux avec les plus hautes énergies de paroi d'antiphase et sont ceux avec les concentrations les plus élevées en Ta et Ti. Ces deux éléments sont en général présents en quantité plus importante dans les superalliages de 1ère génération, d'où leur meilleure limite d'élasticité à 650 °C. La concentration élevée en Re et en Ru de certains superalliages avancés n'a que peu d'influence sur la limite d'élasticité, ces éléments se plaçant préférentiellement dans la matrice. Cependant, dans le cas du TMS-238, la concentration élevée en Re et en Ru induit une faible largeur de couloir et un misfit important. Ces éléments limitent la mobilité des dislocations parfaites et, combinés à une énergie de faute d'empilement basse, favorisent un mouvement décorrélé des partielles de Shockley. L'écrouissage observé durant les essais de tractions résulte de cette faible mobilité des dislocations dans la phase y.

The increase in operating temperature of turbomachines has necessitated the development of new generations of single-crystal superalloys that are more resistant at high temperatures. Over the course of 40 years, their chemical composition has evolved to incorporate an increasing amount of refractory elements such as Re and Ru. However, this improvement in the mechanical properties at high temperatures of superalloys has been accompanied by a decrease in the yield strength at lower temperatures (T < 700 °C). The aim of this thesis is to study the tensile behavior at 650 °C of single-crystal nickel-based superalloys. For this purpose, 17 single-crystal superalloys from different generations were tensile tested at 650 °C with a strain rate of 5.10-4 s-1 at the Pprime institute. This initial study provided a rich database and highlighted significant differences in yield strength (up to 300 MPa) between first-generation alloys and more advanced alloys. Particularly significant hardening was also observed in the PWA 1480 (1st generation) and TMS-238 (6th generation) alloys. Tensile tests interrupted at 0.5% and 1% plastic deformation were also conducted to characterize the deformation micro-mechanisms using transmission electron microscopy at CEMES. These analyses revealed that in most alloys, plastic deformation is concentrated in slip bands and is carried by pairs of perfect dislocations. At 650 °C, the primary parameter influencing the yield strength appears to be the crossing of the y/y' interface. This parameter is mainly dependent on the antiphase boundary energy of the y' phase. This fault energy was estimated using computational models in the 17 tested alloys and experimentally measured in the TROPEA superalloy. It turns out that the alloys with the highest yield strengths also have the highest antiphase boundary energies and are those with the highest concentrations of Ta and Ti. These two elements are generally present in greater quantities in first-generation superalloys, explaining their superior yield strength at 650 °C. The high concentration of Re and Ru in some advanced superalloys has little influence on the yield strength since these elements tend to preferentially locate in the matrix. However, in the case of TMS-238, the high concentration of Re and Ru results in a narrow channel width and significant misfit. These factors limit the mobility of perfect dislocations and, in combination with low stacking fault energy, promote a decorrelated movement of Shockley partials. The observed hardening during tensile tests is a result of this low dislocation mobility in the y phase.