Mécanismes d’amorçage de fissures en fatigue gigacyclique à haute températures des superalliages base-Ni monogranulaires : transition coeur/surface

Crack Initiation Mechanisms in Very High Cycle Fatigue at High Temperatures of Nibased Single Crystal Superalloys : Transition from Internal Sites to the Surface

• Auteur / Autrice : Luciana Maria Bortoluci Ormastroni
• Direction : Patrick Villechaise, Jonathan Cormier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des dolides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 23/03/2022
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime / PPRIME
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fernando Pedraza Diaz, Véronique Favier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marion Bartsch, Vincent Maurel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Solidification

Revêtements

Effets des hautes températures

Nickel -- Alliages

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Durée de vie (ingénierie)

Fissuration

Alliages réfractaires

Alliages -- Fatigue

Mots clés libres

Fatigue gigacyclique

Fatigue oligocyclique

Amorçage de fissure par fatigue

Very High Cycle Fatigue

Low Cycle Fatigue

Fatigue crack initiation

Résumé

La transition cœur/surface de l’amorçage de fissure par fatigue des superalliages base Ni monocristallins à haute température a été au centre de cette étude. Les nouveaux défis résultant de l’augmentation de la température des moteurs aéronautiques, et donc, le besoin des superalliages base Ni monocristallins de plus en plus résistants à la température ont conduit au développement de nouvelles générations, de procédés de traitement plus avancés (LMC, Fabrication additive, CIC), et le développement de revêtements. Cependant,des mécanismes d’endommagement supplémentaires à ceux rencontrés à basses températures apparaissent.Ainsi, pour analyser ces nouveaux mécanismes, des caractérisations mécaniques et microstructurales ont été réalisées pour dix superalliages base-Ni monocristallins en fatigue gigacyclique (Rε=-1, 20 kHz, et 1,000ºC) ou oligocyclique (Rσ=0.5, 0.05 Hz, et 900/950 ºC). Dans un premier temps, les effets des méthodes de solidification et des traitements CIC de neuf superalliages en régime gigacyclique ont été étudiés. Cette étude a permis de développer une base de données riche, présentant non seulement des résultats de superalliages de différentes générations, mais aussi, présentant pour la première fois dans la littérature, la caractérisation mécanique d’un superalliage base Ni monocristallin solidifié par une technique de fabrication additive. Un nouveau mécanisme d’amorçage piloté par l’oxydation à très grande durée de vie a été mis en évidence. L’analyse a aussi été menée sur l’impact des conditions de surface telles que la présence d’un revêtement sur trois superalliages dans des conditions de fatigue oligocyclique et gigacyclique. Il a été étudié l’influence de la couche NiAl déposée non seulement par un procédé industriel (APVS), mais aussi par un procédé de type Slurry. L’interaction entre pore de fonderie et la zone d’interdiffusion semble contrôler la durabilité en fatigue gigacyclique d’échantillons revêtus

The fatigue crack initiation transition from internal defects to the surface at high temperatures has been thefocus of this study. The new challenges resulting from the increase in temperature of aero-engines, and thus, the need for Ni-based SX superalloys more and more resistant to temperature led to the development of new generations, improved processing methods (LMC, additive manufacturing, HIP), and coating solutions. However, additional damage mechanisms to those encountered at lower temperature are arising.Thus, to identify new damage mechanisms scenarios, mechanical and microstructure characterizations were carried out for ten Ni-based SX superalloys in VHCF (Rε=-1, 20 kHz, and 1,000 ºC) or LCF (Rσ=0.5, 0.05Hz, and 900/950 ºC) conditions. At first, it was investigated the benefits and the consequences of the solidification methods and HIP treatments of nine Ni-based SX superalloys in the VHCF regime. This study enabled the development of a rich database, not only presenting results from superalloys from different generations, but also, presenting for the first time in the literature, the mechanical characterization of a Ni based SX superalloy processed by an additive manufacturing route. A new failure mechanism assisted by oxidation at ultra-high lives has been uncovered. Later, the analysis was carried out to investigate the impact of the surface conditions such as the presence of the bond coat on three Ni-based SX superalloys under LCF and VHCF conditions. It was investigated the influence of the NiAl bond coat not only deposited by an industrial (APVS) deposition process, but also by a slurry-type process. The interaction between casting pores and the interdiffusion zone has been shown to control VHCF life of coated specimens.