Étude de la mise en radeaux des précipités gamma prime plastiquement induite dans les superalliages monocristallins à base de nickel

par Nicolas Ratel

Thèse de doctorat en Physique pour l'instrumentation

Sous la direction de Pierre Bastie.

Soutenue en 2007

à l'Université Joseph Fourier (Grenoble ; 1971-2015) .

mots clés

• Superalliages monocristallins
• Coalescence orientée
• Diffusion de neutrons
• Diffraction de rayonnement synchrotron
• Théorie des inclusions
• Microscopie électronique

Résumé

Les superalliages à base de nickel sont utilisés dans l'industrie aéronautique pour leur bonne tenue mécanique à haute température (11 OO°C). Les particules durcissantes de phase y' présentent une évolution morphologique de cuboïdes à plaquettes au cours d'un test de fluage. C'est la mise en radeaux. Nous présentons ici les résultats d'investigation par diffusion de neutrons aux petits angles, diffraction à haute résolution de rayonnement synchrotron et microscopie électronique permettant d'établir le lien entre le développement de la plasticité et l'évolution microstructurale des superalliages. L'utilisation de la diffusion de neutrons aux petits angles au cours d'un recuit in situ d'un échantillon déformé permet de caractériser la cinétique de mise en radeaux des précipités y'. Par ailleurs, l'analyse in situ de l'évolution des contraintes internes au cours de la transformation microstructurale permet de caractériser les micromécanismes mis en jeu. Des observations en microscopie électronique en transmission des structures de dislocations avant et après la mise en radeaux confirment ces résultats. De plus, un modèle basé sur la théorie des inclusions d'anisotropie élastique est présenté, permettant de corréler l'ensemble des résultats expérimentaux au comportement en fluage de ces matériaux. L'ensemble des résultats montre que la relaxation anisotrope du désaccord paramétrique induit par la déformation plastique introduite dans la matrice y est la force motrice des phénomènes de diffusion intervenant lors de la mise en radeaux des précipités y'.

Titre traduit

Investigation of the strain induced rafting of the gamma prime precipitates in single crystal nickel based superalloys

Résumé

Single crystal nickel based superalloys find their application in aerospace engineering since they exhibit a very good mechanical behaviour at high temperature (1100°C). These peculiar properties are strongly correlated with a morphology change from cuboids to rafts of the hardening y' precipitate phase. This microstructure evolution, also called rafting was first revealed during a creep test. Ln this work, we show the results of sm ail angle neutron scattering, high resolution diffraction of synchrotron X-radiation and electron microscopy investigations. This allows the establishment of a correlation between the development of plastic flow and microstructure evolution of these superalloys. The use of small angle neutron scattering during an in-situ high temperature annealing of a deformed sam pie allows the characterisation of the kinetics of strain induced rafting of the y' particles. Moreover, the in-situ analysis of the evolution of internai stresses during rafting has enabled the identification of the micromechanisms involved. Electron microscopy observations of the resulting microstructure and dislocation structure confirm these results. Ln addition, a model based on the inclusion theory of anisotropic elasticity combined with a mean field approach is developed. A correlation between the experimental results and creep behaviour is thus obtained. Results show that the anisotropic relaxation of the lattice parameter mismatch induced by matrix plastic deformation is the driving force for the diffusion Dhenomena involved in the directional coarsenina of the gamma prime particles.