Évolution de la microstructure du superalliage à base nickel γ-γ' René 65 au cours de sa mise en forme pour la fabrication de disques de turbine

Evolution of the microstructure of the nickel-based superalloy γ-γ' René 65 during hot forging for the manufacture of turbine disks

• Auteur / Autrice : Federico Orlacchio
• Direction : Marc Bernacki, Nathalie Bozzolo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique numérique et Matériaux
• Date : Soutenance le 05/12/2024
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de mise en forme des matériaux (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Alain Hazotte
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Bernacki, Nathalie Bozzolo, Florence Pettinari-Sturmel, Guillaume Kermouche, Bernard Viguier, Daniel Humberto Pino Munoz, Madeleine Bignon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Florence Pettinari-Sturmel, Guillaume Kermouche
• DOI : 10.70675/de3da926z3f6ez42acz82b3zd6534fba90e5

Mots clés

Mots clés contrôlés

Alliages réfractaires

Forgeage

Recristallisation (métallurgie)

Mots clés libres

Superalliages base nickel

Microstructures γ-γ'

Précipitation γ'

Recristallisation

Forgeage à chaud

Nickel-Based superalloys

Γ'-γ'' microstructures

Γ' precipitation

Recrystallization

Hot forging

Résumé

Les superalliages à base nickel sont des matériaux métalliques de haute performance offrant d'excellents propriétés mécaniques à hautes températures. Pour cette raison, ils sont largement utilisés dans l'industrie aérospatiale pour les parties les plus chaudes et les plus sollicitées des turboréacteurs. Afin d'augmenter la température de fonctionnement et, en même temps, de réduire la consommation de carburant et les émissions de gaz à effet de serre, le superalliage polycristallin à base nickel γ-γ' René 65 a été choisi pour la fabrication de certains disques de turbine des turboréacteurs de nouvelle génération. Cette famille de superalliages présente, en service comme lors de la mise en forme à chaud, deux phases distinctes, nommées γ, solution solide riche en Ni, et γ', composé intermétallique avec composition stœchiométrique Ni3(Al,Ti). Lors de la mise en forme, les deux phases peuvent évoluer simultanément, avec des cinétiques comparables et différents mécanismes d'interactions possibles tels que l'ancrage de Smith-Zener et la recristallisation en hétéroépitaxie, rendant l'étude des évolutions de microstructures sous-jacentes complexe et ambitieuse. L'objectif principal de ce travail est l'étude des évolutions microstructurales à l'œuvre lors des différentes opérations de forgeage à chaud pour les deux phases, γ et γ', avec une approche principalement expérimentale. Pour y parvenir, un chemin themomécanique avec un traitement thermique subsolvus, suivi d'une compression à chaud et se finalisant par un traitement de mise en solution, a été reproduit en laboratoire. Au cours de ce travail, la cinétique expérimentale de dissolution des précipités γ' ainsi que la cinétique de recristallisation statique de la matrice γ au cours d'un traitement subsolvus ont été déterminées. L'effet sur la recristallisation dynamique des paramètres thermomécaniques, tels que le niveau, la vitesse et la température de déformation, a été étudié en détail dans le domaine subsolvus de l'alliage. L'évolution de la microstructure pendant la mise en solution, i.e en régime de croissance de grains, a été analysée à partir de différentes microstructures initiales. En outre, un modèle de croissance de grain en champ moyen en présence de précipités γ', a été calibré et validé pour l'alliage René 65. Ce travail permet de mieux comprendre le comportement en mise en forme des superalliages à base de nickel γ-γ', dans le domaine subsolvus, c'est-à-dire dans un contexte de forte interaction et de couplage entre la matrice γ et les précipités γ'. En conclusion, les résultats obtenus s'avèrent également industriellement important pour, à l'avenir, optimiser le procédé de forgeage à chaud de cet alliage.

Nickel-based superalloys are high-performance metallic materials offering excellent mechanical properties at high temperatures. For this reason, they are widely used in the aerospace industry for the hottest, most highly stressed parts of jet engines. To increase operating temperature and, at the same time, reduce fuel consumption and greenhouse gas emissions, the nickel-based polycrystalline superalloy γ-γ' René 65 has been chosen for the manufacture of certain turbine disks in new-generation turbojet engines. In service and during hot forming, this family of superalloys features two distinct phases: γ, a Ni-rich solid solution, and γ', an intermetallic compound with a stoichiometric Ni3(Al,Ti) composition. During forging, both phases can evolve simultaneously, with comparable kinetics and different possible interaction mechanisms such as Smith-Zener pinning and heteroepitaxial recrystallization, making the study of underlying microstructural evolutions complex and ambitious. The main objective of this work is to study the microstructural evolutions at work during the various hot forging operations for the two phases, γ and γ', using a mainly experimental approach. To achieve this, a themomechanical path with subsolvus heat treatment, followed by hot compression and finalized by solution treatment, was reproduced in the laboratory. In the course of this work, the experimental dissolution kinetics of γ' precipitates and the static recrystallization kinetics of the γ matrix during subsolvus treatment were determined. The effect of thermomechanical parameters such as deformation level, strain rate and temperature on dynamic recrystallization has been studied in detail in the subsolvus domain of the alloy. The evolution of the microstructure during solution treatment, i.e. in the grain growth regime, was analyzed from different initial microstructures. In addition, a mean-field grain growth model in the presence of γ' precipitates was calibrated and validated for the René 65 alloy. This work provides a better understanding of the forging behavior of nickel-based γ-γ' superalloys in the subsolvus domain, i.e. in a context of strong interaction and coupling between the γ matrix and γ' precipitates. In conclusion, the results obtained are also industrially important for future optimization of the hot-forging process for this alloy.