Modélisation multi-physique de la macroségrégation ev de ma(formation des freckles lors de la solidification d'aubes de turbine monocristallines.

par Vincent Maguin

Projet de thèse en Mécanique numérique et Matériaux

Sous la direction de Charles-André Gandin.

Thèses en préparation à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de SFA - Sciences Fondamentales et Appliquées , en partenariat avec Centre de Mise en Forme des Matériaux (laboratoire) et de École nationale supérieure des mines (Paris) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-01-2017 .


  • Résumé

    Dans un réacteur d'avion, les pièces qui sont soumises à un environnement le plus sévère sont les aubes de turbine haute pression. Celles-ci sont en effet en contact avec des gaz chauds, dont la température dépasse la température de fusion du matériau utilisé. Afin de résister aux sollicitations mécaniques, une technologie a été mise au point : celle-ci repose sur l'utilisation de matériaux appelés superalliages base nickel, ayant des propriétés remarquables à très haute température. L'utilisation de ces matériaux est couplée à l'emploi d'une barrière thermique protectrice ainsi que d'un circuit de refroidissement interne des pièces. Le CMSX4 est un des superalliages base nickel utilisé pour ces aubes. Les pièces de fonderie en superalliage métallique CMSX4 sont mises en forme par coulée dans un moule en céramique, dit carapace. Au cours de la solidification directionnelle et monocristalline de la phase solide, une ségrégation chimique est formée à l'interface avec le liquide, qui redistribue les espèces chimiques. Des forces de flottabilité apparaissent alors dans le liquide, ayant pour origine la variation de sa densité avec la composition et la température. Une convection dite thermo-solutale est ainsi créée et permet une redistribution des espèces chimiques sur de plus grandes distance. Lorsque les inhomogénéités sont observées à l'échelle de toute la pièce, on parle alors de macroségrégation. Parfois, la ségrégation prend une forme plus localisée, sous forme de canaux ségrégés.

  • Titre traduit

    Multiphysic model of macrosegregation and development of freckles during solidification of single crystal turbine blades.


  • Résumé

    In a jet, aircraft engine high pressure turbine blades are subject to the strongest conditions. Indeed they are in contact with high temperature gas, which has a higher temperature as melting temperature of used alloy. In order to support the mechanical load a technology which uses Nickel base super alloys were develop. These alloys have interesting properties at high temperature. The use of these materials is combined with a internal-cooling circuit and a thermal protective barrier. CMSX4 is a Nickel base super alloy which is used for blades. Casting parts are produced with a ceramic mould. During the directional and single crystal solidification, a chemical segregation is formed at liquid interface, which sends out again the chemical species. Due to a density variation from temperature and local composition some buoyancy forces appear. A convection enables a redistribution of chemical species on a large distance. To qualify this heterogeneity in all casting part the term macrosegregation is used. Sometimes the segregation has a local form with channel segregation. This channel can contain disorientated grains which are named freckles. This defect reduces mechanical properties. This is why a casting part with this default will be automatically rejected. CMSX4 has interesting properties compared to others alloys, but particularly subjects to freckles defect. A good comprehension and a control of freckles defect will be necessary to increase performance of some parts and so of the engines. Nowadays, the prediction of this defect with numerical simulation, which uses a simplified model, doesn't take into account all several physical phenomenons. The goal of this PhD is to develop and improve a multi-physic model which takes into account the convection movement, chemical species transport and grain growth.