REMEDDIES

Relations entre la microstructure, les contraintes internes et la durée de vie en fatigue d\'un superalliage à base de nickel

Enjeux et objectifs
Le procédé de grenaillage des pièces mécaniques est couramment utilisé pour améliorer leur durée de vie lorsqu’elles sont soumises à des sollicitations thermomécaniques. Dans le cas des superalliages pour disques de turbines aéronautiques, on se demande si ce traitement mécanique est réellement bénéfique au vu de leurs sollicitations en cours de service. Dans ce projet, il s’agit d’étudier la relation entre la microstructure du matériau N18, les niveaux de contraintes résiduelles introduits par le procédé de grenaillage et la durée de vie en fatigue d’éprouvettes représentatives du disque de turbine. Afin de dégager des tendances, 4 microstructures modèles sont étudiées. Elles diffèrent par leur taille moyenne de grains (~0,05 mm et ~0.1mm) et leur taille moyenne de précipités gamma prime (~200 nm et ~2000 nm). Le programme de recherche consiste à générer les microstructures, grenailler des échantillons, déterminer des profils de niveaux de contraintes résiduelles, réaliser des essais de fatigue oligocycliques à différentes températures. Un volet numérique est aussi mis en place afin d’introduire les niveaux de contraintes mesurés sur des échantillons de géométrie simple dans un code de calcul permettant de modéliser le comportement de pièces mécaniques possédant des géométries plus complexes et de prévoir leur durée de vie.
La détermination des niveaux de contraintes résiduelles par diffraction des rayons X dans des matériaux où la taille de grain n’est ni petite (quelques micromètres), ni grande (de l’ordre de millimètre) est le point ambitieux du projet et demande un travail de développement.

Approches mises en oeuvre
- Les microstructures sont développées spécifiquement pour ce projet à partir de traitements thermiques sur des échantillons prélevés dans une ébauche d\'un disque de turbine fourni par SNECMA (groupe Safran).
- La méthode des sin²psi est utilisée en laboratoire et la microdiffraction Laue au synchrotron afin de déterminer les niveaux de contraintes dans des échantillons ayant subi différents traitements thermiques et mécaniques (grenaillage, fatigue et maintiens isothermes).
- Des essais de traction et de fatigue oligocyclique sont réalisés sur les différentes microstructures afin d\'identifier leur comportement mécanique et de déterminer leur durée de vie pour différents niveaux de sollicitations.
- Les niveaux de contraintes résiduelles déterminés expérimentalement sur des échantillons grenaillés sont introduits dans une modélisation de type éléments finis. Leur relaxation en fonction de la température et du nombre de cycles de fatigue est calculé et comparé aux mesures.

Résultats

- les paramètres des traitements thermiques nécessaires à l\'obtention de microstructures les plus homogènes possibles en termes de taille de grains et de taille de précipités ont été définis pour l\'alliage N18. La principale difficulté a été d\'éviter la croissance préférentielle de certains grains (croissance anormale) dans un alliage où la température de solvus des précipités gamma prime primaires et la température de brulure de l\'alliage ne sont séparées que par une quinzaine de degrés. Pour la suite de l\'étude, nous avons retenu des microstructures avec une taille de grain moyenne de 40 et 80 micromètres et des tailles de précipités de 200 et 2000nm.
- Des mesures de contraintes résiduelles ont été réalisées en laboratoire et au synchrotron sur des échantillons de référence et grenaillés dont la taille de grain moyenne est voisine de 50 micromètres. Pour les échantillons non grenaillés, nous avons réussi à déterminer des niveaux de contraintes résiduelles avec la méthode des sin²psi en laboratoire lorsque la zone irradiée par le faisceau incident sur la surface de l\'échantillon possède une surface d\'au moins 10mm². Cette taille n\'est compatible qu\'avec des échantillons possédant une surface plate, en aucun cas avec la surface courbée d\'éprouvettes de fatigue de 6mm de diamètre. Deux campagnes de mesure ont été réalisées au synchrotron à Grenoble. La première a consisté à réaliser un essai mécanique in situ pour différentes températures sur des échantillons non grenaillés afin de déterminer les constantes élastiques radiocristallographiques. La seconde a consisté à réaliser des cartographies de champs de contraintes et de déformations sur des sections d’éprouvettes grenaillées et non grenaillées en utilisant la technique de la microdiffraction Laue. L\'analyse préliminaire des données montre qu\'il est possible de déterminer naturellement l\'orientation des grains ainsi que les composantes du tenseur déviatorique à l\'intérieur des grains ou d\'un grain à l\'autre.

Perspectives

La prochaine phase du projet sera consacrée à l’obtention de profil de contraintes résiduelles en fonction de la profondeur pour les quatres microstructures définies plus haut d’une part et à la caractérisation expérimentale de leur état mécanique d’autre part. L’analyse fine des données obtenues par microdiffraction Laue au synchrotron sera poursuivie afin de savoir comment les contraintes de grenaillages s’installent dans et entre les grains de l’alliage. L’exploitation des gradients de rotation devrait aussi permettre de quantifier les densités de dislocations géométriquement nécessaires (GND).

Productions scientifiques et brevet

Pas de productions scientifiques et brevets