Modélisation du fluage des superalliages monocristallins : effets d'anisotropie et de microstructure

par Julien Ghighi

Thèse de doctorat en Mécanique des solides, des matéraiux, des structures et des surfaces

Le président du jury était Bernard Viguier.

Le jury était composé de Alain Jacques, Jean-Louis Chaboche.

Les rapporteurs étaient Pierre Caron, Samuel Forest.


  • Résumé

    La tenue au fluage des aubes de turbine haute pression est une problématique de premier ordre vis-à-visde la certification d'un turbomoteur d’hélicoptère. Les excellentes propriétés mécaniques à hautes températuresdes superalliages monocristallins base nickel en font les matériaux les plus utilisés pour la fabrication de cesaubes. Pour ces composants, les exigences réglementaires de certification imposent la réalisation d’essaisanisothermes, plus sévères que les conditions de fonctionnement en service, basés sur le mixage de différentsrégimes de fonctionnement d’un hélicoptère.L’enjeu de cette thèse est de mieux prédire le comportement mécanique et la durée de vie de cesmatériaux lors d’essais de certification des moteurs d’hélicoptères présentant des endommagementsprépondérants de type fluage grâce à l’établissement d’un modèle de comportement et d’endommagement. Cemodèle doit intégrer les effets transitoires de comportement mécanique et les effets d’anisotropie ; il doit êtreprédictif en termes de durée de vie et doit être apte à modéliser de manière satisfaisante les allongementsrencontrés lors de chargements complexes.Le premier objectif a été d’étudier l’impact de l’anisotropie cristalline sur les propriétés en fluageisotherme, puis son impact en conditions de fluage anisotherme à haute température.Le second objectif fut la formulation d’une modélisation mécanique du comportement en fluage sous trajets dechargements complexes à l’aide du modèle POLYSTAR, modèle de plasticité cristalline couplécomportement/endommagement et enrichi de nouvelles variables internes représentant explicitement lesévolutions rapides de microstructure.

  • Titre traduit

    Mechanical behavior and creep life of crystal superalloys : crystal anisotropy and microstructure evolutions


  • Résumé

    The creep of high pressure turbine blades is a critical issue for the certification of a helicopter turboshaftengine. Due to their excellent mechanical properties at high temperatures, nickel-based single crystalsuperalloys are widely used for the manufacturing of these blades. For these components, certificationrequirements include non-isothermal conditions based on the mixing of different operating conditions (cruise,take-off …), conditions much more damaging than standard isothermal conditions used conventionally inlaboratories.The aim of this thesis is to get a better prediction of the mechanical behavior and creep life of thesematerials during certification procedure of helicopter turboshaft engines under which creep is the main lifelimiting factor. For this, a new constitutive modeling approach has been used for the creep behavior and damageevolution. This model includes the impact of microstructure evolutions and the impact of the crystal anisotropyon the mechanical behavior and creep life.The first objective was to study the impact of crystalline anisotropy on the isothermal creep propertiesand its impact in terms of non-isothermal creep at high temperatures.The second objective was to propose a mechanical modeling of the creep behavior under complex loads pathsusing POLYSTAR model, a crystal plasticity model including a coupling between creep behavior and creepdamage and new internal variables explicitly representing rapid changes in the precipitation state.


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