Origine de l’éclatement de grain sur des pièces forgées en Inconel 718

par Andrea Agnoli

Thèse de doctorat en Sciences et génie des matériaux

Sous la direction de Nathalie Bozzolo et de Marc Bernacki.

Le président du jury était Brigitte Bacroix.

Le jury était composé de Nathalie Bozzolo, Marc Bernacki.

Les rapporteurs étaient Patrick Villechaise, Bernard Viguier.


  • Résumé

    L'Inconel 718 est un superalliage base nickel très utilisé pour produire les disques de turboréacteurs. Typiquement, une gamme de forgeage à chaud se compose de plusieurs étapes de déformation et de recuit. La présence des particules de seconde phase (particules de phase delta dans l'Inconel 718) permet en principe de limiter la croissance de grains pendant les étapes de recuit grâce au phénomène d'ancrage de Zener. Néanmoins, l'hétérogénéité microstructurale (distribution des particules, écrouissage, composition chimique) peut favoriser une croissance anormale des grains pendant le recuit. Ce phénomène est connu industriellement sous la terminologie d'"éclatement de grains". Les objectifs de la thèse étaient d'identifier les mécanismes responsables de l'éclatement des grains qui peut survenir durant les étapes de recuit sur les pièces forgées en Inconel 718, de les modéliser, et de simuler numériquement le phénomène. Les mécanismes physiques à l'origine du phénomène sont d'abord étudiés expérimentalement grâce à la caractérisation (par MEB et EBSD) des pièces forgées. L'influence des particules de seconde phase et de l'énergie stockée (estimée par des mesures de désorientations intragranulaires) est notamment étudiée. A partir des observations réalisées, une explication est proposée : le phénomène apparaît lorsque les forces motrices pour la migration des joints de grains dépassent la force de freinage de Zener ; ceci peut se produire lorsque la microstructure contient de l'énergie stockée, distribuée de manière hétérogène. Des essais de torsion à chaud sont mis en place pour reproduire, en laboratoire, le même phénomène, étudier la sensibilité aux paramètres thermomécaniques, et tester les hypothèses émises concernant les mécanismes. Les mécanismes ainsi identifiés comme responsables de l'éclatement de grains sont enfin simulés au moyen d'un modèle numérique en 2D. Le modèle numérique en champ complet est basé sur la méthode des éléments finis, et utilise le formalisme level-set pour décrire les joints de grains. La simulation de l'évolution microstructurale prend en compte à la fois les forces motrices des joints de grains liées à la capillarité et à l'énergie stockée, et l'interaction des joints de grains avec les particules de seconde phase. Ainsi, l'effet de la distribution de l'énergie stockée (estimée à partir de données expérimentales) a pu être étudié numériquement dans des microstructures avec particules.

  • Titre traduit

    Origin of inhomogeneous grain growth in Inconel 718 forgings


  • Résumé

    Inconel 718 is a nickel base superalloy commonly used to manufacture the rotating disks of turbojet engines. Such disks are generally produced by hot forging, which involves a sequence of different deformation and annealing steps. The presence of second phase particles (delta phase in Inconel 718) is commonly exploited to limit grain growth during annealing via the Zener pinning phenomenon. Nonetheless, microstructure heterogeneity (with regards to second phase particles, hardening, texture and chemical composition) can lead to inhomogeneous grain growth during annealing. The objectives of this PhD work were to understand, model and simulate numerically the phenomenon of inhomogeneous grain growth that can occur in Inconel 718 turbine disks during the annealing steps of hot forging sequences. The physical mechanisms which may explain the occurrence of the phenomenon are investigated experimentally by performing SEM and EBSD analyses of Inconel 718 industrial pieces. The focus is placed on the influence of second phase particles and strain energy (estimated from intragranular misorientations) on the occurrence of the phenomenon. From those observations, it is inferred that the phenomenon occurs when the grain boundary driving forces overcome the Zener pinning forces; this is achieved when stored energy is present and heterogeneously distributed. Moreover, hot torsion tests are carried out to reproduce the phenomenon in laboratory, to evaluate its sensibility to thermomechanical parameters and to test the previously postulated mechanism. The validity of this mechanism is finally demonstrated by modelling numerically the phenomenon in 2D. The full field numerical model is based on a level set description of the grain boundaries in a finite element context. Microstructure evolution is simulated explicitly taking into account Zener pinning, capillarity and stored energy driven grain growth in a single framework. The effect of strain stored energy distributions (estimated from experimental data) in pinned microstructures is investigated focusing on the conditions leading to inhomogeneous grain growth.



Le texte intégral de cette thèse sera accessible librement à partir du 21-12-2018

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