Amorçage de fissures de fatigue aux joints de macles dans un superalliage à base de nickel γ/γ'

Fatigue Crack Initiation at Twin Boundaries in a γ/γ' Nickel-Based Superalloy

• Auteur / Autrice : Julien Prouteau
• Direction : Patrick Villechaise, Loïc Signor
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 05/06/2024
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime / PPRIME
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Catherine Mabru, Jean-Charles Stinville
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ahmed El Bartali, Henry Proudhon
• DOI : 10.70675/5bac0e05zde14z411czab3bzd525ce2ac744

Mots clés

Mots clés contrôlés

Alliages réfractaires

Fissuration

Fatigue des matériaux

Durée de vie (ingénierie)

Mécanique de l'endommagement (milieux continus)

Essais dynamiques

Macles (cristallographie)

Microstructure (physique)

Mots clés libres

AD730™

Disques de turbines

Fatigue à grand nombre de cycles

Glissement plastique

AD730™

Turbine discs

High fatigue cycles

Plastic slip

Résumé

Les superalliages durcis par la phase γ' sont utilisés dans les moteurs des avions civils nouvelle génération pour leur stabilité microstructurale à haute température qui permet l'augmentation du rendement. En service, les disques de turbine en superalliage sont principalement sollicités en fatigue à des températures intermédiaires, typiquement 450 °C. L'amorçage des fissures de fatigue dans cette classe d'alliage est contrôlé par de nombreux paramètres tels que le niveau de chargement, la température, l'environnement et la microstructure. De la température ambiante jusqu'aux températures intermédiaires, les joints de macles se trouvant dans les gros grains ont été identifiés comme responsables de l'apparition de nombreuses fissures de fatigue. L'objectif de cette thèse est de réaliser une analyse statistique des sites d'amorçage en fatigue à température ambiante pour plusieurs conditions de chargement et des mécanismes d'endommagement associés. Le matériau utilisé est l’AD730™ car ce superalliage polycristallin est représentatif de la famille des γ / γ' et que sa microstructure et ses propriétés mécaniques sont maintenant bien documentées. Comme déjà identifié dans la littérature, la majorité des fissures s'amorcent le long des joints de macles. L'orientation du glissement plastique par rapport à la surface libre le long du joint de macles a été identifiée comme un marqueur du niveau de chargement. En effet, les directions de glissement sont parallèles à la surface libre en endurance limité (HCF) alors qu'elles ont une incidence importante en fatigue oligocyclique (LCF). Ces résultats suggèrent que les mécanismes d'endommagement le long d'un joint de macles sont dépendants de l'amplitude de chargement. Une nouvelle configuration d'amorçage a été découverte : les fissures aux jonctions de joints de macles. Celles-ci ont été caractérisées pour plusieurs conditions d'essai et 2 microstructures différentes. Il est probable que ce type de site d'amorçage ait été confondu avec l'amorçage classique le long d'un joint de macles dans le passé. Pour finir, la taille de grains a été identifiée comme centrale dans le processus d'amorçage avec une cinétique d'apparition des fissures bien plus importante dans les gros grains.

Γ'-phase-hardened superalloys are used in new-generation civil aircraft engines for their microstructural stability at high temperatures, which enhances efficiency. In service, superalloy turbine disks are mainly subjected to fatigue loading at intermediate temperatures, typically 450°C. Fatigue crack initiation in this class of alloy is controlled by many parameters such as loading level, temperature, environment and microstructure. From room temperature to intermediate temperatures, twin boundaries in coarse grains have been identified as responsible for the initiation of numerous fatigue cracks. The aim of this study is to carry out a statistical analysis of fatigue crack initiation sites at room temperature for various loading conditions and the associated damage mechanisms. The material used is AD730™ because this polycrystalline superalloy is representative of the γ / γ' family and its microstructure and mechanical properties are now well documented. As already noted in the literature, the majority of cracks initiate along twin boundaries. The orientation of plastic slip relative to the free surface along the twin boundary has been identified as a indicator of the loading level. Indeed, the slip directions are parallel to the free surface in high-cycle fatigue (HCF), whereas they are significantly inclined with respect to the free surface in low-cycle fatigue (LCF). These results suggest that damage mechanisms along a twin boundary are dependent on loading amplitude. A new crack initiation configuration has been discovered: cracks at junctions of twin boundaries. These were characterized for different test conditions and for two different microstructures. It is likely that this type of crack initiation site has been confused with classic initiation along a twin boundary in the past. Finally, grain size was found to be central to the fatigue initiation process, with crack initiation kinetics much higher in coarser grains.