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Le 16 décembre 2020

Soutenance de thèse de Vincent MAGUIN

Modélisation multi-physique de la macroségrégation et de la formation des freckles lors de la solidification d'aubes de turbine monocristallines.

Résumé de la thèse en français

L'augmentation permanente de la température de la chambre de combustion des générateurs de gaz pour les applications aéronautiques impose, pour les aubes de turbines monocristallines haute pression, l'utilisation de superalliages bases nickel, contenant du henium, afin d'améliorer la tenue au fluage. L'introduction de ces nouveaux matériaux rend primordiale la maîtrise de la macroségrégation associé à l'étape de solidification dirigée des alliage qui conduit à l'apparition des canaux ségrégés et des grains parasites de type freckles. La modélisation multiphysique de cette étape de transformation la solidification dirigée permet la prédiction de ces défauts. Les principales difficultés sont de pouvoir considérer les différentes échelles du procédé industriel en décrivant les phénomènes influents durant la solidification (transport d'espèces chimiques, croissance de la microstructure) tout en tenant compte d'une thermique la plus fidèle possible. Dans ce but, une modélisation de la thermique d'un four Bridgman dans le code commercial THERCAST a été mise en place en tenant compte des échanges thermiques par rayonnement entre les différents pièces. Par un appel aux solveurs de la librairie CIMLIB, la redistribution des espèces chimique dans la pièce a pu être déterminée. Afin d'améliorer la description du chemin de solidification de l'alliage, un modèle de microségrégation à diffusion finie pour les phases liquide et solide a été étendu pour les alliages mutlicomposés. Son implémentation permet un couplage aux propriétés du diagramme de phases en utilisant une tabulation de celui-ci, exploitée avec la méthode kd-tree. Implémenté dans la librairie Physalurgy, le modèle de microségrégation peut être ainsi appelé dans un calcul éléments finis CIMLIB. Pour finir, un plan d'expérience a permis l'étude de l'influence des différents paramètres, liés au procédés, aux conditions de développement de la microstructure, à la géométrie des pièce et dans une moindre mesure le chemin de solidification de l'alliage.

Résumé de la thèse en anglais

The temperature increase in the combustion chamber for aeronautic applications requires the use of nickel based superalloys containing rhenium in order to improve creep resistance for the high pressure monocrystalline turbine blades. The use of these new materials prones segregated channels and freckle chains (parasitic grains). The control of macrosegregation is especially challengeable during this directional solidification. Multiphysical modelling of directed solidification allows the prediction of these defects by direct simulation of macrosegregation. The main difficulties are to be able to consider the different scales of the industrial process by describing the phenomena taking place during the solidification of the alloy (transport of chemical species, growth of the microstructure) while taking into account the most accurate thermal conditions as possible. In this work a macro-segregation modelling was set up for a Bridgman furnace environment in the commercial code THERCAST by calling on the solvers of the CIMLIB library. To obtain an accurate thermal model for the metal domain, taking into account the heat exchanges by radiation between the different parts of the furnace, while providing the redistribution of the chemical composition in the part once solidified. In order to improve the description of the alloy solidification path, a finite diffusion microsegregation model for the liquid and solid phases has been extended for multi-component alloys. Its implementation allows a coupling to thermodynamic properties using a tabulation of the phases diagram, exploited with the kd-tree method. Implemented in the PHYSALURGT library, the microsegregation model can be called in a finite element calculation CIMLIB. Finally, the impact of several parameters on macrosegregation was considered such as process parameters, microstructure, geometry and to a lesser extent the alloy solidification path.

Titre anglais : Multiphysic model of macrosegregation and development of freckles during solidification of single crystal turbine blades.
Date de soutenance : mercredi 16 décembre 2020 à 9h00
Adresse de soutenance : CEMEF - MINES ParisTech | PSL 1 rue Claude DAUNESSE - CS10207 F-06904 Sophia Antipolis cedex, France - Amphi Mozart
Directeurs de thèse : Charles-André GANDIN, Gildas GUILLEMOT

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