Vieillissement en service d'alliages d’aluminium à durcissement structural : évolution microstructurale et propriétés mécaniques associées

Ageing of precipitation-hardened aluminium alloys during service: microstructural evolution and associated mechanical properties

• Auteur / Autrice : Thomas Perrin
• Direction : Frédéric De geuser
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : 2MGE - Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 29/11/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et Ingénierie des Matériaux et Procédés
• Jury : Président / Présidente : Joël Douin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric De geuser, Myriam Dumont, Vladimir Esin, Guilhem Martin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Myriam Dumont, Vladimir Esin

Mots clés

Mots clés libres

Alliage aluminium

Vieillissement

Précipitation

Aluminium alloy

Overageing

Precipitation

Résumé

Les carters et couvercles des boîtes de transmission de puissance des turboréacteurs aéronautiques sont principalement fabriqués à partir d’alliages d’aluminium durcis par précipitation. L'une des exigences critiques en matière de conception est leur résistance au vieillissement thermique pendant le fonctionnement, en raison des températures élevées de l’huile contenue dans ces pièces. Les nano-précipités de ces alliages subissent une évolution lors du vieillissement thermique qui entraîne une dégradation des propriétés mécaniques. La compréhension de cette évolution microstructurale et de ses effets sur les propriétés mécaniques sur des périodes pouvant aller jusqu'à 100 000 heures (soit environ 10 ans) est essentielle pour le dimensionnement et la prédiction de la durée de vie de ces composants. La réalisation d'essais expérimentaux sur des durées de vieillissement thermique supérieures à 20 000 heures étant incompatible avec les contraintes des calendriers de développement, il est nécessaire de développer des approches prédictives fiables. Une base de données expérimentales conséquente est nécessaire pour mettre en place et valider de tels modèles prédictifs. Ces travaux de thèses ont consisté à étudier l'évolution des propriétés mécaniques, via un volume important de données expérimentales obtenues à partir d’échantillons soumis à un vieillissement sous gradient de température pour des durées allant jusqu’à 10 000 heures. Ce vieillissement sous gradient thermique a permis de caractériser les évolutions mécaniques et microstructurales sur un spectre continu de températures de vieillissement (de 165°C à 245°C), en s’appuyant notamment sur des techniques de caractérisation à haut débit telles que la diffusion centrale des rayons X à petits angles (SAXS) et à grands angles (WAXS), ou la mesure de profils de dureté. Des vieillissements complémentaires réalisés à température constante ont également permis d’établir des corrélations entre les évolutions de la dureté et des propriétés mécaniques en traction (limite d’élasticité, contrainte à rupture), permettant la prédiction des propriétés en traction à partir des données de dureté obtenues sur les échantillons soumis à un gradient de température de vieillissement. Des analyses locales complémentaires, réalisées en microscopie électronique en transmission (MET) et en sonde atomique tomographique (SAT), ont ponctuellement été utilisées afin de mieux comprendre les mécanismes microstructuraux associés au survieillissement. Cette méthodologie a été appliquée à deux alliages d’aluminium corroyés (2219-T851 et 2618A-T851) et un alliage de fonderie (A357+1wt%Cu-T7), actuellement utilisés ou susceptibles de l’être pour ce type d’applications. Des comportements distincts, impliquant des phénomènes complexes en plus de la croissance et de la coalescence des précipités (tels que des transformations de phases et la stabilisation de précipités métastables) ont été observés dans les différents alliages. La modélisation cinétique via des équivalences temps-température a cependant donné des résultats cohérents, permettant ainsi la prédiction de l’évolution cinétique des propriétés mécaniques des différents alliages pour la gamme de températures étudiée.

The housings and covers of turbojet engine transmission gearboxes are predominantly manufactured from precipitation-hardened aluminium alloys. A critical design requirement is ensuring their resistance to thermal ageing during operation, given the high temperatures of the oil contained within these components. The nanoprecipitates in these alloys undergo significant evolution during thermal exposure, which detrimentally affects mechanical properties. Understanding the microstructural evolution and its impact on mechanical performance over extended periods, up to 100,000 hours (approximately 10 years), is essential for accurate component dimensioning and service life prediction. However, experimental testing for thermal ageing times beyond 20,000 hours is impractical due to development schedule constraints, necessitating the development of reliable predictive models. A comprehensive experimental database is required to construct and validate such models. This thesis focused on investigating the evolution of mechanical properties, using extensive experimental data from samples aged under a temperature gradient for durations of up to 10,000 hours. The use of a thermal gradient enabled the characterization of both mechanical and microstructural changes across a continuous spectrum of ageing temperatures (from 165°C to 245°C), employing high-throughput characterization techniques such as small-angle X-ray scattering (SAXS), wide-angle X-ray scattering (WAXS), and hardness profiling. Additional isothermal ageing heat treatments allowed for the establishment of correlations between hardness changes and tensile properties (yield strength, ultimate tensile strength), allowing the prediction of tensile properties based on hardness data obtained from samples subjected to the temperature gradient. Localized analyses using transmission electron microscopy (TEM) and atom probe tomography (APT) were occasionally employed to provide deeper insight into the microstructural mechanisms occurring during overageing. This methodology was applied to two wrought aluminium alloys (2219-T851 and 2618A-T851) and a cast alloy (A357+1wt%Cu-T7), which are currently in use or considered for such applications. The study revealed distinct behaviours in the alloys, involving complex phenomena in addition to precipitate growth and coarsening, such as phase transformations and metastable precipitate stabilization. Nevertheless, kinetic modelling using time-temperature equivalence produced consistent results, enabling accurate predictions of the kinetic evolution of mechanical properties across the temperature range investigated.