Etude de l'influence des traitements thermomécaniques et thermiques sur la microstructure et la tenue en fluage de l'alliage 718

par Alexandre Devaux

Thèse de doctorat en Sciences et génie des matériaux

Sous la direction de Régine Molins et de Loic Nazé.

Soutenue en 2007

à Paris, ENMP .

mots clés

• Turbomachines
• Fluage
• Alliages -- Propriétés mécaniques
• Alliages -- Propriétés thermiques
• Alliages -- Propriétés thermomécaniques

Résumé

L’objectif de cette étude est d’améliorer la tenue en fluage de l’alliage 718 pour des applications sur disques de turbine, tout en maintenant les propriétés en fatigue et en traction comparables à celles obtenues avec le traitement thermomécanique de référence. Nous avons, dans ce contexte, développé un traitement de mise en solution optimisé comportant deux paliers et permettant de dissoudre la phase intergranulaire sans provoquer l’apparition de gros grains néfastes pour la tenue en fatigue. La limite d’élasticité et la tenue en fluage sont améliorées sur un large domaine de températures grâce à une fraction volumique de précipités ’’ plus élevée, et les propriétés en fatigue sont maintenues grâce à une fine taille de grain. L’étude du traitement thermomécanique « direct aged » a révélé un comportement en fluage relativement différent des autres gammes thermomécaniques, compte tenu de la présence de plusieurs mécanismes de fluage dans les conditions explorées. Ces mécanismes permettent d’expliquer l’influence plus ou moins marquée des microstructures étudiées en fonction des variations de température et de contrainte. Une attention particulière a été portée à l'analyse de la cinétique de précipitation de la phase durcissante ’’. L’étude de l’influence des paliers du vieillissement sur la précipitation et sur les propriétés mécaniques a mis en évidence l’existence d’optima de tailles de précipités. Ces études nous ont par ailleurs permis d’analyser le comportement en fluage de l’alliage à haute température en modélisant notamment l’influence du grossissement des précipités pendant l’essai de fluage.

Titre traduit

The effect of thermomechanical and heat treatments on microstructure and creep properties of Alloy 718

Résumé

The aim of this study is to improve the creep properties of Alloy 718 used in turbine discs, without affecting the tensile and fatigue properties obtained with the standard thermomechanical treatment. In this context, an optimized two-stage solution heat treatment has been developed which partly dissolves the intergranular phase without causing the formation of coarse grains which impair fatigue performance. The higher volume fraction of ’’ precipitates improves the yield strength and creep properties over a wide temperature range, and fatigue properties are preserved by the fine-grained microstructure. The study of the direct aged thermomechanical treatment evidenced a creep behavior relatively different from those observed with other thermomechanical treatments, which suggests that different creep mechanisms are at play in the various conditions covered in this study. The different effects on the studied microstructures under greater and lesser stress and temperature variations confirm the presence of these creep mechanisms. This study also focuses on the kinetics of precipitation of the ’’ hardening phase. The study of the influence of the aging stages on ’’ phase precipitation and on the mechanical properties revealed that there are optimum precipitate sizes. This work also enabled us to analyze the creep behavior of Alloy 718 at high temperature by modeling, on the one hand, the influence of microstructural parameters on the minimum secondary creep rate and, on the other hand, the influence of precipitate coarsening during creep testing.