Caractérisation des properiétés d'aciers supermartensitiques pour une optimisation de procédés de mise en forme d'éléments de turbine hydraulique

Characterization of supermartensitic steels properties to optimize the process of shaping components of a hydraulic turbine

• Auteur / Autrice : Natalia Kolebina
• Direction : Jean-Jacques Blandin, Muriel Véron
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 15/09/2015
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE) en cotutelle avec Université Technique d'État de Moscou
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et ingénierie des matériaux et procédés (Grenoble, Isère, France ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Eric Andrieu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Jacques Blandin, Muriel Véron, Sophie Cazottes
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Brigitte Bacroix, Alain Hazotte

Mots clés

Mots clés contrôlés

Acier

Mots clés libres

Acier supermartensitique

Microstructure

Comportement mécanique

Formage à chaud

Modélisation

Supermartensitic steel

Microstructure

Mechanical behavior

Creep

Modelling

Résumé

La fabrication des composants d'une turbine hydraulique est un procédé complexe, couteux et nécessite beaucoup de métal. Une possibilité d'améliorer ce procédé est d' obtenir des formes complexes, ce qui va réduire la quantité de soudage et de post-traitement. Le nouveau procédé nécessite l'étude de nouveaux matériaux, qui possèdent une déformabilité élevée et répondent aux exigences du matériau pour une application dans les turbines hydrauliques. Les aciers supermartensitiques sont attractifs, car ils possèdent la combinaison exceptionnelle d'une haute résistance à la corrosion, une bonne soudabilité, une résistance à la traction élevée et un comportement ductile.Le but de ce travail est la détermination et la modélisation du comportement d'un acier supermartensique à hautes températures pour contrôler et optimiser le procédé de mise en forme à chaud de composants d'une roue d'une turbine hydraulique.Des paramètres différents affectent la mise en forme à chaud de l'acier. D'un côté, la connaissance de la microstructure et des transformations de phase est nécessaire pour optimiser la température du mise en forme et analyser les résultats, d'un autre côté, des essais mécaniques doivent être réalisés pour déterminer le comportement à haute température de l'acier et ses lois de comportement, ce qui permettra de modéliser le procédé de mise en forme. Ainsi, une étude détaillée de la microstructure et des transformations de l'acier supermartensique est d'abord présentée. Il a été démontré que le traitement thermique peut améliorer la microstructure du matériau et supprimer les hétérogénéités provenant de la fabrication de l'acier. Ensuite, le comportement mécanique à haute température a été étudié. Des essais de traction ont été effectués dans l'intervalle de température de 650 ° C à 1100 ° C à des vitesses de déformation entre 0,0004s-1 et 0,04s-1. Les influences de la température, de la vitesse de déformation, de la taille des grains, de la teneur et de la morphologie des phases sur le comportement mécanique ont été analysés. En outre, la caractérisation qualitative de l'endommagement a été effectuée dans le domaine austénitique. Finalement les lois de comportement ont été déterminées et la modélisation de la mise en forme à chaud d'un acier supermartensitique a pu être entreprise. Des exemples de deformation en flexion, correspondant à des formes réelles complexes, sont présentés.Les résultats de l'étude des aciers inoxydables supermartensitiques et de leurs lois de comportement à chaud permettent d'optimiser le processus de formage.

The current manufacturing of hydraulic turbine components is complex, metal-consuming and expensive process. The one way of improving this process is forming complex shapes that will decrease the amount of welding and post treatment. The new forming process requires the investigation of new materials having good deformability and satisfying the requirements to material for hydraulic turbine application. The supermartensitic steels are attractive as they have exceptional combination of high corrosion resistance, good weldability, tensile strength and ductile behavior.The aim of this work is the determination and modeling of supermartensitic stainless steel behavior at high temperature to control and optimize process of hot forming the parts of hydraulic turbine runner.Different parameters affect the hot forming of steel. On the one hand, the knowledge about steel microstructure and transformation is needed to optimize temperature of forming and analyze results, and on the other hand, the mechanical experiments need to be performed to determine high temperature behavior of steel and constitutive law which allow to model process of forming. Thus firstly detailed study of microstructure and transformation of supermartensitic steel is presented. It has been demonstrated that the heat treatment can improve microstructure of material and exclude disadvantage of steel making. Then the mechanical behavior at high temperature was investigated. Tensile tests were carried out in the interval of temperature from 650°C to 1100°C at strain rate in range from 0,0004s-1 to 0,04s-1. The influences of temperature, strain rate, grain size, content and morphology of phases on mechanical behavior have been analyzed. Additionally brief investigation of cavities at full austenite zone has been done. Finally the constitutive laws were determined and modeling of behavior is presentede Examples of bending process are reported, corresponding to real and complex shapes of turbine parts.The presented investigation of supermartensitic stainless steel and proposed constitutive laws allow optimization the process of hot forming.