Etude du comportement en fluage à haute température du superalliage monocristallin à base de nickel MCNG : effet d'une surchauffe

par Michaël Arnoux

Thèse de doctorat en Mécanique des solides et matériaux

Sous la direction de José Méndez et de Xavier Milhet.


  • Résumé

    En cours de vol, les hélicoptères bi-turbines peuvent subir un régime d'urgence OEI : un moteur s'arrête, alors que le moteur qui reste en fonctionnement connaît une augmentation de température. Cette problématique a motivé l'étude du comportement en fluage anisotherme du superalliage monocristallin MCNG afin que soient appréhendés les impacts d'une surchauffe à 1200°C sous charge sur son comportement en fluage à 1050°C. Suite à la séquence standard de traitements thermiques, des ségrégations chimiques persistent dans la structure dendritique du MCNG. En particulier, l'élément Re présente la plus grande disparité de concentration : il est majoritairement ségrégé dans les dendrites. Ces disparités de composition engendrent des différences de propriétés physiques et mécaniques (taille de précipitation, misfit, dureté), ainsi que des différences de comportement de la microstructure γ/γ' lors des expositions à haute température avec ou sans chargement mécanique appliqué. En particulier, le misfit plus élevé dans les dendrites, ainsi que la taille de précipitation plus faible, favorisent la dissolution de la phase γ' dans ces zones lors de maintiens à 1250°C. En fluage à 1050°C / 140 MPa, le misfit plus élevé dans les zones dendritiques est à l'origine de la mise en radeaux plus rapide dans ces régions alors qu'après la mise en radeaux, l'évolution de la microstructure γ/γ’ est plus marquée dans les zones interdendritiques (déformation locale de γ, désorientation des interfaces γ/γ’, épaississement du γ' et inversion topologique). Lors du fluage isotherme à 1050°C / 140 MPa, condition sur laquelle est simulée une surchauffe OEI, le stade tertiaire de fluage couvre 60 % de la durée de vie du matériau. Ce comportement macroscopique particulier est attribué à la déstabilisation précoce de la microstructure γ/γ'. Après une surchauffe OEI, le MCNG présente une vitesse de déformation de fluage accrue qui conduit à un abattement de la durée de vie par rapport à la condition de fluage isotherme. Les observations microstructurales montrent qu'un OEI accélère la déstabilisation de la microstructure γ/γ' par rapport à l'isotherme, ce qui précipite le déclenchement du stade tertiaire de déformation. Le comportement du MCNG en fluage isotherme et anisotherme a été modélisé sur la base d’une loi de comportement viscoplastique de type Chaboche, dans laquelle ont été introduites de nouvelles variables internes capables de prendre en compte les évolutions microstructurales.

  • Titre traduit

    Study of the high temperature creep behavior of the nickel base single crystal superalloy MCNG, effect of an overheating


  • Résumé

    During a flight, bi-turbine helicopters can encounter emergency regimes called OEI : one engine stops, while the second experiments a temperature increase. In this context, the anisothermal creep behaviour of the single crystal superalloy MCNG has been studied to understand the effects of an overheating at 1200°C under load on its creep behaviour at 1050°C. After the standard heat treatments, rhenium is mainly segregated in dendric regions. Chemical heterogeneities lead to very different behaviours of the γ/γ’ microstructure during high temperature annealing with or without mechanical load applied. In particular, the higher misfit in the dendritic regions, coupled with the smaller precipitation size there, favour the γ’ phase dissolution during thermal exposures at 1250°C. During creep, the higher misfit in dendritic zones is responsible for the quikest rafting of the regions, while after rafting was completed, γ/γ’ microstructure evolutions are more marked in interdendritic regions (local matrix deformation, rotation of the raft microstructure and topological inversion). After the OEI, the creep strain rate increases and the total creep life is reduced compared to the isothermal condition. An OEI accelerates the γ/γ’ microstructure destabilization leading to an earliest initiation of the tertiary creep stage. The isothermal and anisothermal creep behaviours were modelled thanks to a Chaboche viscoplastic law, modified by introducing new internal variables able to describe microstructure evolutions.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (IV-217-8 p.)
  • Annexes : Bibliogr. 200 réf.

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