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Le 9 juillet 2020

Soutenance de thèse de Alexiane ARNAUD

Etude et développement d'un système de contrôle volumique de la qualité cristalline des aubes de turbines.

Résumé de la thèse en français

Dans l'industrie aéronautique, les aubes de la turbine haute pression sont les pièces les plus critiques des turbopropulseurs. Pour résister aux fortes contraintes thermomécaniques générées par l'environnement de la turbine, les aubes doivent être monocristallines, en superalliage base nickel. L'absence totale de joints de grain, ainsi que l'orientation privilégiée du cristal confèrent aux aubes leur durée de vie maximale en service. L'objectif de cette thèse consiste à développer pour les géométries d'aubes de turbine du futur une nouvelle technique de contrôle non destructif industriel basée sur la diffraction Laue en transmission afin de s'assurer de la qualité cristalline en volume. Pour répondre à la problématique, un montage expérimental mobile a été développé pour réaliser des expériences avec une source de laboratoire. Plusieurs systèmes de rayons X ont ainsi pu être testés au cours de la thèse, notamment un système équipé d'un détecteur à comptage photonique. Le montage comprend : un collimateur à fentes motorisées, deux étages de translation et un bloqueur de faisceau. La motorisation des 7 moteurs qui composent le montage a été pensée pour automatiser la prise d'image et favoriser le balayage des pièces devant le faisceau. En parallèle, un modèle physique de simulation de la diffraction dédié a été entièrement développé. Ce modèle reprend les équations de la diffraction Laue en intégrant le fait que le faisceau incident ait une direction quelconque. Il permet de simuler une figure diffraction à partir de la nature du cristal, de la géométrie de l'échantillon et de la configuration géométrique expérimentale. Un algorithme d'indexation directe a également été développé pour dépouiller les images de diffraction expérimentales. La position des taches de diffraction est utilisée pour déterminer l'orientation de la zone du cristal illuminée. Les campagnes expérimentales ont été menées sur différents types d'échantillons : des cristaux d'éléments pur, des échantillons monocristallins ainsi que des échantillons en superalliage contenant des défauts jusqu'aux aubes de turbine complètes. L'influence des paramètres comme les conditions d'illuminations, l'épaisseur et la géométrie des échantillons ont été étudiés. Les résultats ont montré que la technique développée permettait de réaliser des mesures d'orientations en volume de pièces monocristallines, et d'en faire une cartographie par balayage. L'analyse des figures de diffraction permet de révéler la présence éventuelle de grains désorientés et de mesurer la désorientation au travers de la pièce. Enfin, l'analyse détaillée des tâches individuelles de diffraction permet de reconstruire la microstructure 3D en cas de présence de sous-joint de grains ou encore de montrer la présence de courbure du réseau cristallin. Un algorithme de quantification du tenseur moyen complet de la courbure du réseau est proposé.

Résumé de la thèse en anglais

In the aerospace industry, single crystal nickel-based high pressure turbine blade are the most critical part of the engine. The objective of this study is to develop a new non-destructive testing based on Laue diffraction for the novel geometry of turbine blades. Diffraction is carried out in transmission mode to be able to irradiate the entire volume of the blade. First, an experimental setup has been constructed and tests under laboratory conditions using a conical x-ray source and 2-dimensions detector have been performed. Several x-ray systems have been tried in this work, in particular an hybrid photon counting detector. The setup comprises a 4 motorized slits, 2 translations stages for the sample and a beam-stop : the image acquisition can be carried out using the 7 motors composing the setup in order to automate the acquistion of scans. In the same time, a simulation forward model of the Laue diffraction physics has been developed. This forward model uses the Laue diffraction equations integrating a given incident beam and allows to simulate any diffraction pattern according to the crystal structure, the sample geometry and the setup geometry. An indexing algorithm program has also been developed to index the experimental patterns using the diffraction spot positions. Experiments were carried out on reference crystals, on blade sample pieces or directly on industrial turbine blades. The influence of the diffraction parameters has been studied. The results showed that the Laue transmission diffraction method makes it possible to carry out an orientation mapping for an extended monocrystalline volume. Indeed, Laue diffraction pattern analyse is able to reveal the potential presence of an undesirable grain. Moreover, the detailed analysis of the geometry of the spots can be used to reconstruct the microstructure of the illuminated volume implying the sub-grains boundary or the lattice curvature.

Titre anglais : Development of a non-destructive testing system for the detection of internal crystalline defects of single-crystal turbine blade
Date de soutenance : jeudi 9 juillet 2020 à 14h00
Adresse de soutenance : Mines ParisTech 60 boulevard Saint-Michel 75005 Paris - -
Directeur de thèse : Henry PROUDHON

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