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Le 19 décembre 2022

Soutenance de thèse de Emile HAZEMANN

Etude d'apparition de grains recristallisés dans les superalliages base nickel monocristallins pour application aux aubes de turbine

Résumé de la thèse en français

Dans les travaux présentés, on s'intéresse à formation de grains recristallisés dans les aubes de turbine monocristallines en superalliage base nickel. La présence de ces grains, fortement désorientés par rapport à la matrice monocristalline, est rédhibitoire car elle diminue de manière drastique les propriétés mécaniques de la pièce. La germination de ces grains résulte d'une part de l'introduction d'une déformation de la matière, lors de sa solidification et de son refroidissement dans le moule de coulée et d'autre part, du traitement thermique subséquent. Afin de prédire la germination et la croissance de grains recristallisés dans une aube, il est fondamental d'identifier 1) le comportement mécanique de l'alliage pendant son refroidissement lors de l'étape de coulée et 2) un critère de recristallisation à partir de l'état mécanique de la matière. Les travaux de thèse s'articulent autour de ces deux axes, spécifiquement pour le cas du CMSX-4, superalliage base nickel de deuxième génération. Dans le premier axe de recherche, on identifie le comportement du CMSX-4 brut de fonderie avec une loi élastoviscoplastique phénoménologique à partir d'essais de traction-relaxation et de simulations par la méthode des éléments finis. Le modèle identifié intègre l'anisotropie du monocristal, pour la gamme de températures et les vitesses de déformations caractéristiques du procédé de fonderie. Les paramètres de la loi de comportement sont identifiés par analyse inverse, à partir d'essais de traction-relaxation à trois cycles, pour une température de consigne constante, sur des éprouvettes monocristallines en CMSX-4 dont la direction de traction est alignée aux directions cristallographiques <001>, <110> et <111>. Les essais sont réalisés sur un équipement de traction à chauffage résistif, en utilisant une instrumentation sans contact (pyromètre bichromatique et corrélation d'images). Dans le deuxième axe de recherche, on s'intéresse à reproduire les chargements thermomécaniques de zones critiques vis-à-vis de la recristallisation dans une aube pendant la solidification et le refroidissement. Ces chemins sont reproduits via des essais de traction à différentes rampes de chargement et une vitesse de refroidissement constante, pour différentes orientations d'éprouvettes brutes de fonderie. Les éprouvettes subissent ensuite un traitement thermique d'homogénéisation standard pour révéler ou non la présence de grains recristallisés. Les chemins thermomécaniques anisothermes sont ensuite modélisés avec le comportement identifié dans le premier axe de recherche, dans le but d'identifier un critère de recristallisation.

Résumé de la thèse en anglais

The current work's aim is to understand recrystallized grains formation in single-crystal nickel-based superalloys for turbine blades application. The presence of such grains, with large misorientation compared to the single-crystal's orientation, is prohibitive because it decreases dramatically the mechanical behaviour of the part. On one hand, nucleation of recrystallized grains is related to the amount of strain introduced in the alloy during solidification and cooling, and on the other hand, to subsequent heat treatment. To predict nucleation and growth of recrystallized grains, one needs to identify 1) the mechanical behaviour of the alloy during solidification and cooling 2) a recrystallization criterion based on the mechanical state of the matter. The present work is built around these two research axes, specifically for CMSX-4, a second-generation nickel-base superalloy. In the first axis, we identify as-cast CMSX-4 behaviour with an elastic viscoplastic constitutive law, using tensile-relaxation tests and finite elements modelling. The identified model considers single crystal anisotropy at temperatures and strains rates representative of casting process. The parameters of the constitutive laws are identified using inverse analysis, using tensile-relaxation tests, at constant temperatures, on as-cast CMSX-4 samples with tensile direction oriented along <001>, <110> and <111> crystallographic orientations. Tests are performed with a resistive heating machine, using contactless instrumentation (infrared pyrometry and digital image correlation). In the second axis, our interest is to reproduce thermomechanical paths of areas that are critical regarding recrystallization in a turbine blade, during solidification and cooling. These paths are simulated with tensile tests at different stress rates and a constant cooling rate, for specimens with different orientations. Tested specimens undergo standard homogenization heat treatment to reveal or not the presence of recrystallized grains. Thermo-mechanical paths are then simulated with constitutive law identified in the first axis, to identify a recrystallization criterion.

Date de soutenance : lundi 19 décembre 2022 à h00
Adresse de soutenance : 1 rue Claude Daunesse B207 06 904 Sophia-Antipolis Cedex - Amphithéâtre Mozart
Directeur de thèse : Charles-André GANDIN
Codirecteur : Michel BELLET
Codirecteur : Karim INAL

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