Visco-plasticity and damage modeling of single crystal superalloys at high temperatures : a tensorial microstructure-sensitive approach

par Adriana Mattiello

Thèse de doctorat en Mécanique des solides

Sous la direction de Rodrigue Desmorat.

  • Titre traduit

    Visco-plasticité endommageable des superalliages monogranulaires base Ni à haute température : approche couplée à une représentationtensorielle de la microstructure


  • Résumé

    Un modèle phénoménologique 3D de visco-plasticité couplée avec les évolutions microstructurales et l'endommagement est proposé pour les superalliages monogranulaires base Nickel, les matériaux des aubes de turbine à haute pression de moteurs d'hélicoptères. L'anisotropie de la mise en radeaux, la croissance et la dissolution de la phase durcissante sont modélisés. Une variable tensorielle et sa loi d'évolution permettent la description de la variation de la largeur des couloirs de matrice. Ce travail s'appuie sur la décomposition en modes de Kelvin du tenseur d'élasticité. Cette décomposition conduit également à une description multi-critère mésoscopique de la visco-plasticité cubique. Une formulation en (visco-)plasticité cristalline a été également proposée. Une loi d'endommagement avec seuil de type dD/dt=... est formulée pour la modélisation du fluage tertiaire et pour la prévision de la ductilité en traction. Une expression originale du seuil d'endommagement rend compte des effets de vitesse sur l'amorçage de l'endommagement par visco-plasticité. Une étude expérimentale a été conduite sur le CMSX-4, l'alliage au centre de cette étude, parallèlement aux travaux de modélisation. Des essais de dissolution ont été réalisés afin de mesurer la variation de la fraction volumique des précipités avec la température. Les mécanismes de déformation du matériau ont été observés en fluage isotherme à 850°C et 1050°C selon les principales directions cristallines du triangle stéréographique standard et constituent une base d'identification pour le modèle, la réponse mécanique du matériau obtenue. Trois essais de traction ont été réalisés selon la direction <111>, deux à vitesse de chargement constante, le troisième à vitesse variable. Des essais cyclés thermiquement de type 150h-moteur ont été réalisées sur le banc MAATRE. Des analyses EBSD et MET ont été réalisés sur les échantillons orientés selon les directions cristallines <011>, <111> et <112> et testés à 850°C. Ces analyses ont montré que le mâclage est le principal mécanisme de déformation pour des déformations supérieures à $1-2%$ selon ces orientations cristallines en fluage à cette température et à haute contrainte (>400 MPa). Enfin, le modèle a été implanté dans le code à élément Finis ZéBuLon, sans ou avec endommagement, et des calculs de structures ont été réalisés


  • Résumé

    A 3D phenomenological model coupling viscoplasticity, microstructural evolutions and damage is proposed for Ni-based single crystal superalloys, which are widely used materials for high pressure turbine blade in helicopter engines. The anisotropy of the gamma'-rafting, the gamma'-coarsening and the dissolution of the hardening gamma' phase are modeled. A tensorial variable and its evolution law allow to describe the variation of the gamma channels. The modeling is based on the Kelvin decomposition of the elasticity tensor. This decomposition leads to a phenomenological multi-criterion description of the cubic visco-plasticity. A formulation based on the single crystal (visco-)plasticity framework is also proposed. A damage law of type dD/dt=… is introduced in order to model the tertiary creep stage and the ductility. A novel rate sensitive damage threshold is introduced in order to account for the rate sensitivity of the damage onset by visco-plasticity. An experimental study has been carried out on the CMSX-4 alloy, which is the material of main interest in this study, in parallel to the modeling work. Dissolution tests have been carried out to measure the gamma'-volume fraction variation with temperature. The deformation mechanisms of the CMSX-4 alloy have been observed by performing tensile creep tests at 1050°C and 850°C. These tests have also constituted a database for the model identification. Three tensile tests have been realized along the <111> crystal direction, two at constant strain rate and the third by varying the strain rate. Non-isothermal creep tests reproducing the 150h-type engine test have been performed on the MAATRE bench. EBSD and TEM analysis have been realized on the specimens oriented along the <011>, <011> and <112> crystal directions and crept at 850° C. These analysis have shown that micro-twinning governs the deformation along these crystal directions during creep at this temperature and at high stresses (> 400 MPa) for deformation in excess of 1-2%. Finally, the model (with and without damage) has been encoded in the ZéBuLoN Finite Element solver and structure computations have been performed.


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