Étude de l'endommagement d'un superalliage monocristallin à base de nickel induit par microperçage laser milliseconde

par Nicolas Revuz

Thèse de doctorat en Sciences et génie des matériaux

Sous la direction de Michel Jeandin.

Soutenue en 2010

à Paris, ENMP .


  • Résumé

    L'amélioration du rendement d'un moteur d'avion est reliée à l'élévation de la température de combustion. Les progrès de l'industrie aéronautique de ces 30 dernières années ont permis l'augmentation de cette température. Les aubes de turbine qui en subissent directement les effets ont vu leur métallurgie et leur géométrie évoluer avec le temps. Aujourd'hui, elles sont en superalliage monocristallin à base de nickel. Les barrières thermiques, constituées d'une sous-couche métallique et d'un dépôt céramique ont été développées pour protéger la surface de l'aube de la température et de l'environnement agressif (oxydation, corrosion à chaud). Parallèlement à l'évolution des matériaux, la géométrie de l'aube a également été adaptée. Un circuit de refroidissement interne permet la circulation puis l'éjection d'air par des micro-trous créant ainsi une fine couche protectrice à la surface de l'aube. Depuis des années, ces trous (diamètre de 0,45mm pour une profondeur comprise entre 1,5 et 3 mm) sont percés par laser impulsionnel ou par électroérosion favorisant ainsi le temps d'usinage. Ce travail porte sur l'étude du perçage laser impulsionnel milliseconde qui chauffe le matériau irradié, le fond puis vaporise une couche superficielle de liquide. La pression résultant, dite pression de recul, est la force motrice du perçage. L'objectif de cette étude est de définir et caractériser l'endommagement subi par le matériau après perçage laser. Les phénomènes d'éjection de la matière sont modélisés par éléments finis par l'adaptation d'un code initialement développé pour le soudage laser. Ce modèle est comparé à des mesures expérimentales de vitesse d'éjection liquide, de pression de recul ainsi qu'à des observations micrographiques fines qui montrent une couche de matière resolidifiée dont la microstructure est différente de celle du superalliage. Aujourd'hui, les modèles numériques utilisés pour prédire la durée de vie des pièces perforées ne prennent en compte que la dimension des trous donc le gradient de contrainte résultant. Les essais de fatigue à haute température réalisés dans cette étude avec deux types de perçage laser (une source femtoseconde et une source milliseconde) permettent de mettre en évidence l'influence de la modification de la matière induite par le procédé de perçage sur le comportement mécanique d'éprouvettes percées. Une étude de la vitesse de fissuration combinée à l'étude des faciès de rupture permet de comprendre les phénomènes d'amorçage et de propagation de fissure courte. Elle montre que l'engouement actuel pour les sources lasers ultrarapides (c'est-à-dire pico/femtoseconde), qui ne modifie pas la microstructure du perçage de la même façon qu'un laser classique (milliseconde) n'est pas obligatoirement justifié pour ce type d'application.

  • Titre traduit

    Damage study of a laser-drilled Ni-based single crystal


  • Pas de résumé disponible.


  • Résumé

    Improving the performance of an aircraft engine can be related to the rise in the combustion temperature. Progress of the aviation industry over the past 30 years has lead to this temperature increase. Turbine blades have seen their metallurgy and geometry evolve with time. Nowadays, they are made of a monocrystalline nickel-based superalloy. Thermal Barrier Coatings (TBCs), consist of a metallic bond-coat topped with a ceramic layer to protect the blade surface from temperature and aggressive environment (oxidation, high-temperature corrosion). In the same time of this material evolution, the geometry of the blade also changed. A cooling system allows heat evacuation due to internal circulation of air in a cooling network which is expulsed through micro-holes drilled at the blade surface. For many years, these holes (of 0,45mm in diameter and of between 1,5 and 3 mm in depth) have been drilled by pulsed laser or electrical discharge machining. This work focuses on millisecond laser drilling which heat the irradiated material, melt it till the vaporization of the very surface layer of liquid. The resulting pressure, called recoil pressure, is the driving force for drilling. The objective of this study is to define and characterize the material damage induced by laser drilling. Finite element modelling of matter ejection phenomena was studied using a code which was developed formerly for laser welding. This model is compared with experimental measurements of liquid ejection speed and of recoil pressure. Additional micrographic observations have showed a resolidified layer of matter with a new microstructure. Current numerical models which are used to predict lifetime of drilled component involve only the stress gradient due to holes. High-temperature fatigue tests of specimens which were laser-drilled either using a millisecond laser or a femtosecond laser, allow to highlight the influence of the material modification induced by drilling on the mechanical behaviour. The study of the crack velocity combined to fractography leads to the understanding of short crack initiation and propagation mechanisms. It shows that the current craze for ultra-short pulsed laser sources (i. E. Pico/femtosecond sources), which does not modify the microstructure of the hole as a conventional laser (millisecond) can do, is not justified for this type of application.

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  • Détails : 1 vol. (316 p.)
  • Annexes : Bibliographie p. 261-274

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  • Disponible pour le PEB
  • Cote : EMP 160.409 CCL TH 1286
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  • Cote : EMP 160.410 CCL TH 1286
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