Étude expérimentale quantitative de la solidification de l'inconel 718 en fonderie

par Alexis Pautrat

Thèse de doctorat en Sciences et génie des matériaux

Sous la direction de Charles-André Gandin et de Michel Bellet.

Le président du jury était Anne-Françoise Gourgues.

Le jury était composé de Charles-André Gandin, Michel Bellet, Emelyne Renard, Daniel Cornu.

Les rapporteurs étaient Jacques Lacaze, Franck Tancret.


  • Résumé

    Cette étude financée par SNECMA et le CNES a pour objectif de mieux comprendre et caractériser le résultats de la solidification de l'inconel 718. Cet objectif est motivé par le besoin grandissant de fiabilité sur les pièces brutes de fonderies utilisées dans l'assemblage des moteurs de fusée. En effet, lors de la solidification, la ségrégation chimique provoque la formation de phase fragile. C'est notamment le cas des phases de Laves. Ainsi, un four de fonderie sous vide et un moule instrumenté ont été mise au point afin de couler au laboratoire des plaques de géométrie variable. Le but étant d'obtenir plusieurs échantillons obtenu sous différente conditions de solidifications. Une méthode d'analyse quantitative au MEB a par la suite été mise au point pour analyser les 4 coulées exploitables. Elle a permis de quantifier la quantité d'intermétalliques en fonction de la vitesse de refroidissement. Mais aussi leur répartition vis à vis des joints de grains d'une part et l'impact de la désorientation entre chaque grain d'autre part. La ségrégation chimique a aussi pu être quantifiée selon ces mêmes paramètres.De travaux numériques ont été entrepris en parallèles avec tout d'abord la simulation macroscopique des coulées avec le logiciel Thercast. Ces simulations ont permis de connaître les conditions de solidification de l'ensemble des échantillons coulés et ont fourni des données d'entré pour les autres aspects numériques. Par exemple, avec un modèle élément fini et automate cellulaire, la formation de la structure granulaire a pu être modélisée. Enfin, la simulation de la microségrégation a permis de valider notre compréhension des phénomènes prédominant lors de la solidification de l'inconel 718. Ces simulations numériques apportent à la fois un éclairage sur les résultats expérimentaux mais aussi démontrent leurs possibilités dans l'optique de mettre en place un modèle global de solidification recouvrant ces trois échelles pour des pièces industrielles

  • Titre traduit

    Experimental quantitative studies that the solidification of the superalloys 718 in investment casting


  • Résumé

    The metallic alloy “Inconel 718” is frequently found in aerospace and aeronautic components. In this study, it is used in the case of the main engine turbopump of the Ariane 5 launcher. This case is obtained by investment casting. Thereby, a great focus is turned on as cast defect like detrimental interdendritic phase. For example, the Laves phase, about 1%, has poor mechanicals characteristics. Several samples was cast under vacuum at MINES ParisTech Cemef. Various superheat and cooling rate are tested. After specific preparation, the microstructure was observed by scanning electron microscopy (SEM). On a surface representative of solidification phenomenon, the NbC phase, the Laves phase and the Delta phase were quantified and chemical segregation measurements were performed. The results give a tendency of the detrimental phases to form at the grain boundaries. This phenomenon is stronger as the cooling speed is lower. Furthermore, the grains boundaries disorientations as an impact. This experimental information is used to model the sample solidification at three different scales. At the macroscopic scale with Thercast software, at an intermediate scale whit the simulation of the grain structure. These simulations were performed whit a model developed at Mines Paristech, CEMEF. The last scale is the simulation of the microsegregation. This model takes into account thermodynamic equilibrium, cooling rate and microstructure geometries. This numerical work improved the comprehension of the solidification phenomenon. A global solidification simulation of industrial piece is the aim of Cnes (French space agency) and Snecma who support this work.


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