Comparaison des caractéristiques microstructurales et des propriétés en fluage de superalliages monocristallins à base de nickel de différentes générations

Comparison of microstrucutal features and comparison of creep properties of various generations of single-crystal nickel-based superalloys

• Auteur / Autrice : Vincent Huleux
• Direction : Vincent Maurel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance le 05/07/2019
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Alain Hazotte
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Maurel, Mikaël Perrut, Loic Nazé, Vladimir Esin, Virginie Jaquet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Florence Pettinari-Sturmel, Patrick Villechaise

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Fluage

Alliages réfractaires

Nickel -- Alliages

Mots clés libres

Superalliage base nickel

Fonderie monoscritalline

Fluage

Evolution microstructurale

Mécanisme de déformation

Nickel-Based superalloy

Single-Crystal casting

Creep

Microstructural evolution

Deformation mechanism

Résumé

Pour améliorer le rendement des moteurs, les parties les plus chaudes, notamment les aubes monocristallines de la turbine haute pression, réalisées en superalliages à base de nickel, doivent faire face à une amplification des sollicitations thermomécaniques. L’objectif de l’étude est de compléter les connaissances sur le rôle des différents éléments d’alliage sur la stabilité microstructurale et les propriétés en fluage, et d’en approfondir la compréhension. Sur la base de ces éléments de réflexion, des critères de composition chimique peuvent être établis pour répondre aux futures exigences de résistance aux contraintes thermomécaniques en service.Cinq superalliages industrialisés de compositions chimiques différentes appartenant aux trois premières générations, ont été étudiés : AM1, René N5, CMSX-4, CMSX-4 Plus et CMSX-10K. Les températures des essais de fluage ont été choisies pour couvrir toute la gamme d’utilisation de ces alliages. Un comparatif détaillé, basé sur les évolutions microstructurales et les mécanismes de déformation se produisant au cours des essais aux différentes températures et sous différentes contraintes, a été réalisé.L’étude s’est plus particulièrement focalisée sur l’analyse des spécificités du CMSX-4 Plus, alliage de troisième génération récemment développé, dont les propriétés en fluage à haute température sont remarquables, et qui pourrait répondre aux besoins des motoristes.On s’est ainsi attaché à :− l’optimisation des paramètres de traitement thermiques de l’alliage ;− l’analyse approfondie de l’effet de la désorientation primaire du monocristal sur sa résistance en fluage à basse température et sous contrainte élevée ; − l’analyse de l’évolution de la mise en radeaux des précipités γ’, de la formation d’un réseau de dislocations ainsi que de la précipitation de phases TCP en fluage à haute température.

Single-crystal nickel-based superalloys have been developed in order to increase the resistance of aeronautic turbine blades to high temperatures and stresses to improve their efficiency. The objective of this study is to increase knowledges about the role of the various alloying elements on microstructural stability and creep properties. Based on these considerations, chemical composition criteria can be established to meet to the next requirements for thermomechanical resistance in service.Five industrialized superalloys with different chemical compositions (from the first to the third generation) were tested: AM1, René N5, CMSX-4, CMSX-4 Plus et CMSX-10K. Temperatures of the creep tests have been chosen to cover the entire range of service temperature of these alloys. A detailed comparison has been performed, based on the microstructural evolutions and the deformation mechanisms occurring during these tests at various temperatures and under various stresses.The study focused on the analysis of the CMSX-4 Plus, a third-generation alloy which has been recently developed, and which shows remarkable high-temperature creep properties.We focused on:- the optimization of the heat treatment parameters for this alloy;- the analysis of the effect of the primary crystal misorientation on its creep resistance at low temperature and high stress;- the analysis of the evolution of γ' precipitates rafting, the formation of the dislocation network as well as the precipitation of TCP phases during creep at high temperature.