Mesure et Evolution des gradients de propriétés mécaniques dans le système superalliage à base de nickel MC2 revêtus McrAlY

Measurement and Evolution of the gradient of mechanical properties in MCrAlY coated MC2 nickel based superalloy system

• Auteur / Autrice : Damien Texier
• Direction : Eric Andrieu, Daniel Monceau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance le 29/05/2013
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Inter-universitaire de Recherche et d’Ingénierie des Matériaux (Toulouse ; 1999-....)

Mots clés

Mots clés libres

Superalliages

Interdiffusion

Fluage

Eprouvettes ultra-minces

Superalloys

Interdiffusion

Creep

Ultra-thin specimens

Résumé

Les superalliages monocristallins à base de nickel sont couramment utilisés dans la fabrication des aubes de turbines à gaz aéronautiques. En service, ces pièces mécaniques sont soumises à des sollicitations mécaniques et thermiques sévères. La composition chimique et la microstructure de ces superalliages monocristallins ont été optimisées à travers différentes générations d'alliages dans le but de résister au fluage à des températures supérieures à 1100°C. Pour protéger ces matériaux des agressions environnementales (oxydation isotherme et cyclique à très haute température, corrosion à moyenne et haute température), les aubes de turbine sont généralement revêtues d'une couche de NiAlPt ou de MCrAlY (M=Ni, Co). Le procédé de dépôt et les traitements thermomécaniques entrainent la formation d'une zone d'interdiffusion entre le revêtement et le substrat. De plus, la microstructure des différentes zones (le superalliage, le revêtement et la zone d'interdiffusion) évolue en service du fait de l'effet combiné des sollicitations mécaniques et thermiques. De telles évolutions sont susceptibles d'affecter localement les propriétés mécaniques des aubes de turbine. Les revêtements MCrAlY ont fait l'objet de nombreuses études portant sur l'oxydation et la corrosion à haute température. L'abattement des propriétés mécaniques du superalliage du fait de la présence du revêtement a été largement étudié sur le système complet, c'est à dire le superalliage revêtu. Ces études ont eu pour but d'estimer une épaisseur de superalliage qui soit considérée comme non porteuse de la charge, et ce indépendamment de la taille de la zone d'interdiffusion. L'affinement des modèles prédictifs de comportement mécanique et de durée de vie des matériaux requiert une base de données relative aux propriétés locales et à leur évolution au cours du vieillissement. Ces données n'étaient pas disponibles jusqu'à ce jour. Ce travail a donc porté sur la caractérisation microstructurale et mécanique de la zone d'interdiffusion du système MC2 revêtu de NiCoCrAlYTa par co-déposition électrolytique. Des éprouvettes de traction ont été extraites des différentes zones de ce système à gradient de propriétés à l'état de réception et aussi dans des états vieillis avec ou sans contrainte appliquée. Elles ont été ensuite testées mécaniquement à haute température dans des conditions environnementales optimisées de façon à limiter les effets induits par l'oxydation sur le comportement mécanique d'éprouvettes aussi minces. Ces échantillons de 20 à 400 μm d'épaisseur ont été obtenus en utilisant une machine de rodage afin de limiter l'impact de la méthode d'usinage sur l'état de contrainte résiduel. Deux bancs d'essais mécaniques ont spécialement été développés dans le cadre de cette étude pour réaliser des essais de fluage et de traction sur ces échantillons ultra-minces sous atmosphère contrôlée jusqu'à 1200°C. Les résultats obtenus sur ces échantillons minces ont été comparés aux résultats d'essais conduits sur des éprouvettes massives. L'effet « paroi mince » a été exploré parallèlement afin de statuer sur la possibilité d'utiliser ces données pour décrire le gradient de comportement du système.

Monocrystalline nickel based superalloys are the most suitable materials for the design of high performance turbine blades. In service, these mechanical parts undergo both harsh mechanical and thermal solicitations. The chemical composition and also microstructure of these superalloys have been optimized through different generations to resist creep deformation at temperature higher than 1373K. To protect these materials from environment stresses (isothermal and cyclic oxidation at high temperature, intermediate temperature corrosion) blades are generally coated with a NiAlPt or MCrAlY layer (M=Ni, Co). Both deposition process and thermomechanical treatment generate an interdiffusion zone (IDZ) between the coating and the substrate. Moreover, the microstructure of the different strata (superalloy, coating and interdiffusion zone) evolve in service due to the combine effect of high temperature and stress. Such evolutions may locally affect the mechanical properties of turbine blades. MCrAlY coatings have been studied extensively from an oxidation and hot corrosion point of view. The drop of mechanical properties of superalloys because of the presence of coating has been investigated on full system, so that to say the coated superalloy. These study aims to estimate a none bearing thickness of the superalloy independently from the size of the interdiffusion zone. Refinement of predictive models on mechanical behaviour and lifetime of materials require data relative to local properties and their evolution when ageing. These data were not available until now. Hence, this work deals with microstructural and mechanical characterisation of the interdiffusion zone of the system MC2 coated with NiCoCrAlYTa by electrochemical codeposition. Tensile specimens were extracted from the different zones of this functionally graded material on “as received” state and after ageing with and without applied stress. Then, these specimens were mechanically tested at high temperature in optimised controlled atmosphere in order to prevent ultrathin specimens from oxidation effects on the mechanical behaviour. These specimens in a range of 20 to 400μm thick were obtained by use of a lapping machine in order to limit the impact of gritting on residual stress. Two mechanical test rigs were especially designed for this study to perform creep and tensile testing on these ultrathin specimens under controlled atmosphere at temperature up to 1473K. Results obtained from these ultrathin specimens were compared with testing conducted on bulk materials. The “size effect” was explored in parallel so that to conclude on the feasibility of using these data to quantify the behaviour gradient of this system.