Microstructure des superalliages à base nickel : Analyse expérimentale et simulation numérique 3D

Microstructure of nickel-based superalloys: Experimental analysis and 3D numerical simulation

• Auteur / Autrice : Franco Jaime
• Direction : Marc Bernacki, Nathalie Bozzolo
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique numérique et Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 21/10/2020
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Mise en Forme des Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Mines Paris-PSL

Mots clés

Mots clés libres

Microstructure

Superalliages à base nickel

Simulation numérique 3D

Analyse expérimentale

Microstructure

Nickel-based superalloys

3D numerical simulation

Experimental analysis

Résumé

La caractérisation tridimensionnelle (3D) de la microstructure des superalliages à base nickel est essentielle à l'analyse et à la modélisation des mécanismes métallurgiques à l'œuvre lors de la mise en forme de l'alliage ou au cours de la vie en service. Les superalliages étudiés ici sont des nuances polycristallines employées dans les parties les plus chaudes des moteurs d'avion de nouvelle génération. Les méthodes de mesure, d'analyse et de reconstruction de microstructures représentatives 3D sont encore récentes et nécessitent des développements spécifiques. L'objectif premier de cette thèse est de fournir une description détaillée de la microstructure de superalliages polycristallins, dans différents états métallurgiques. Cette description concerne les grains constituant le polycristal, dont la taille varie de quelques microns à quelques centaines de microns, leurs défauts (mâcles, dislocations), ainsi que les précipités de seconde phase. Les précipités de seconde phase sont essentiels dans ces superalliages, pour limiter la croissance de grains lors de la mise en forme (par ancrage des joints de grains par les précipités les plus gros, quelques microns de taille) ou pour assurer la tenue mécanique par durcissement structural (assuré par des précipités plus fins, de quelques nanomètres à quelques dizaines de nanomètres). Ces microstructures seront caractérisées expérimentalement puis reconstruites numériquement. Ce travail s'appuiera sur les moyens expérimentaux de microscopie 3D acquis récemment au CEMEF ainsi que sur les codes de genèse de microstructures et de simulation numérique développés au CEMEF dans le cadre de la chaire ANR DIGIMU. Les microstructures numériques feront ensuite l'objet de simulations au moyen des outils DIGIMU, avec différents objectifs: •Dans la microstructure équiaxe, la plus simple des trois étudiées, l'effet de la distribution spatiale des précipités sur la taille de grains limite atteinte après le traitement de mise en solution sera évalué. Cette microstructure sera également ré-exploitée dans une autre thèse de la chaire TOPAZE (à l'institut P'),pour des calculs de plasticité cristalline visant à simuler le comportement en service. •La microstructure issue de fabrication additive est très anisotrope, écrouie et hors équilibre, avec de gros grains allongés dans la direction de la sage, de forme complexe. Les simulations seront conduites afin de déterminer si la croissance de grains pilotée par les énergies interfaciales est capable de rendre compte des évolutions observées expérimentalement au cours de traitements thermiques, ou si la germination de grains recristallisés est nécessaire. •La microstructure partiellement recristallisée sera exploitée en partage avec un(e) autre doctorant(e)de la chaire TOPAZE, dont l'objectif est de simuler la formation des macles thermiques lors de la recristallisation de l'alliage.

Three-dimensional (3D) characterisation of the microstructure of nickel-based superalloys is essential for the analysis and modelling of the metallurgical mechanisms at work during the forming of the alloy or during its service life. The superalloys studied here are polycrystalline used in the hottest parts of new generation aircraft engines. The methods for measuring, analysing and reconstructing representative 3D microstructures are still recent and require specific developments. The main objective of this thesis is to provide a detailed description of the microstructure of polycrystalline superalloys in different metallurgical states. This description concerns the grains constituting the polycrystal, whose size varies from a few microns to a few hundred microns, their defects (twins, dislocations), as well as the second phase precipitates. The second phase precipitates are essential in these superalloys, to limit grain growth during shaping (by fixing the grain joints by the largest precipitates, a few microns in size) or to ensure mechanical strength by structural hardening (ensured by finer precipitates, from a few nanometres to a few tens of nanometres). These microstructures will be characterised experimentally and then reconstructed digitally. This work will be based on the experimental 3D microscopy resources recently acquired at CEMEF as well as on the microstructure genesis and numerical simulation codes developed at CEMEF in the context of the ANR DIGIMU chair. -In the equiaxed microstructure, the simplest of the three studied, the effect of the spatial distribution of the precipitates on the limit grain size reached after the solution treatment will be evaluated. This microstructure will also be used in another thesis of the TOPAZE Chair (at Institute P'), for calculations of crystalline plasticity to simulate the behaviour in service. -The microstructure produced by additive manufacturing is very anisotropic, hardened and out of equilibrium, with large grains elongated in the direction of the sage, of complex shape. Simulations will be conducted to determine whether grain growth driven by interfacial energies is capable of accounting for the changes experimentally observed during heat treatments, or whether recrystallised grain germination is necessary. -The partially recrystallized microstructure will be exploited jointly with another PhD student of the TOPAZE chair, whose objective is to simulate the formation of thermal twins during the recrystallization of the alloy.