Approche multi-échelle de l'oxydation sous-contrainte appliquée aux superalliages à base de nickel : de la déformation localisée aux prémices d'endommagement mécano-chimique

par Charles Romain

Projet de thèse en Génie mécanique, mécanique des matériaux

Sous la direction de Denis Delagnes et de Damien Texier.

Thèses en préparation à l'Ecole nationale des Mines d'Albi-Carmaux , dans le cadre de MEGEP - Mécanique, Energétique, Génie civil, Procédés , en partenariat avec ICA - Institut Clément Ader (laboratoire) et de SUMO - Surfaces, Usinage, Matériaux et Outillages (equipe de recherche) depuis le 16-01-2019 .


  • Résumé

    Les superalliages à base de nickel sont largement rencontrés pour des applications structurales à hautes températures et températures intermédiaires dans des environnements relativement complexes. Du fait de la réactivité de surface, i.e. corrosion, oxydation, ces matériaux peuvent voir leurs propriétés évoluer en surface et sous-surface au cours de leur vie et générer progressivement un gradient de composition chimique, de microstructure et de propriétés. Bien que l'étendue de ces gradients de propriétés soit souvent négligeable par rapport aux dimensions des pièces de structure aéronautiques (du micromètre à la centaine de micromètres), la variabilité de comportement mécanique au sein de ce gradient donne lieu à de l'endommagement prématuré et progressivement à la rupture de la pièce de structure. Pour arriver à cet objectif, la caractérisation micromécanique des propriétés d'usage de ces matériaux à gradient de propriétés est primordiale, et ce dans une large gamme de température. Du fait des fortes variations de propriétés sur des épaisseurs/profondeurs faibles rencontrées dans les matériaux à gradient de propriétés, des techniques de caractérisation micromécanique sont nécessaires. Bien que ces techniques de caractérisation micromécanique soient déjà relativement complexes à température ambiante autant dans leur emploi que dans l'exploitation des données, ce projet de recherche a pour ambition de mesurer des propriétés locales à plus hautes températures, températures où les dégradations surfaciques et sub-surfaciques sont importantes (jusqu'à 800°C pour des applications de type turbines aéronautiques). Les techniques de mesure dites « directes », c'est-à-dire donnant accès aux propriétés de traction, de fatigue et de fluage par emploi d'échantillons minces autosupportés (free-standing) (quelques dizaines de micromètre d'épaisseur) ont l'avantage d'accéder à des grandeurs directement utilisables dans les modèles numériques (en faisant l'hypothèse de propriétés homogènes couche par couche). En plus des grandeurs « macroscopiques » mesurées par ces techniques de mesure dites « directes » sur échantillon minces autosupportés, une investigation spécifique de la surface par mesure de champs cinématiques (technique photomécanique haute résolution de corrélation d'images) permettrait d'obtenir des informations locales sur les processus de déformation et d'endommagement à l'échelle de la microstructure. Cette approche mécanique in-situ à l'échelle de la microstructure se différencie clairement des techniques usuelles, i.e. celles classiquement utilisées en Science des matériaux (dureté, nanodureté, observations post-mortem ou lors d'essais interrompus, etc.) qui ne sont plus opérantes pour l'évaluation quantitative du gradient de propriétés. Cette approche multi-échelle et pluridisciplinaire de l'évolution du comportement mécanique et de l'endommagement, assistée par la corrosion/l'oxydation sous contrainte, s'avère être une piste originale et nécessaire pour comprendre et identifier les mécanismes locaux de déformation et de réactivité de surface, d'endommagement (amorçage de fissures, formation de pores, produits de corrosion, formation d'oxyde à croissance rapide, etc.) et de rupture à l'échelle de ce gradient évolutif dans le temps.

  • Titre traduit

    Multiscale approach of the stress-assisted oxidation of nickel-based superalloys : from strain localization to the onset of mechanochemical damage


  • Résumé

    Ni-based superalloys are widely used for structural applications at high temperature and intermediate temperature in severe atmospheres. Environment-assisted degradation, i.e. oxidation and corrosion, alters the surface of the materials but also their bulk properties due to a progressive selective consumption of reactive elements involved in the surface degradation process. The material in a shallow region beneath the reactive surface subsequently shows a gradient in chemical composition, microstructure and physical properties. Despite the negligible scale of those gradients (from micrometers to hundreds of micrometers beneath the surface) as compared to the structural component dimensions, the variability of the mechanical behavior within the gradient often drives premature damage and the progressive rupture of the component. To achieve this, the micromechanical characterization of the mechanical properties of the graded materials is substantial, in a large range of temperature. Due to strong variability in mechanical properties within the graded materials, micromechanical characterization techniques are required. Despite the complexity of micromechanical testing at room temperature (use and data interpretation), the present project aims to measure local properties at high temperatures, temepratures at which surface and sub-surface damage are substantial (up to 800°C for aeronautical turbine applications). 'Direct' measurement techniques, providing tensile, creep and fatigue properties using freestanding specimens(few tens of micrometer thick specimens), have the advantage to assess such properties directly usable in numerical models (hypothesis of layer to layer homogeneity). In addition to the macroscopic values measured via these techniques, a specific investigation of the surface for full field kinematic measurements (difital image correlation techniques) would allow local information on deformation and damage mechanisms at the microstructure scale. This in-situ mechanical approach distinguishes itself from conventional techniques, i.e. techniques usually employed in Materials Sciences (hardness testing, nanoindentation, post-mortem observations or after interruptions, etc.) which are not operative anymore for the quantitative evaluation of the gradient of properties. The present PhD project proposes to tackle the intricate multi-physics dimension of the environment-assisted deformation/damage evaluation by simultaneously correlating the macroscopic/mesoscopic and sub-microstructure/sub-micrometer deformation and the changes in surface reactivity (oxide microcracking, oxide spallation, fast growing oxides, breakaway oxidation, etc.) at high temperature in various atmosphere conditions. The main goal of this in-situ experimental characterization is to bring a novel understanding and a more physical prediction of the local and time-evolving mechanical behavior of graded materials at the microstructure scale related to environmental interactions.