Le développement des réacteurs nucléaires « haute température » fonctionnant à cycle direct sous hélium implique de nouvelles exigences pour les matériaux de structure du réacteur. Ainsi les disques de turbine de diamètre 1,3 m sont sollicités à 700°C pendant 60000 h sans maintenance. L'alliage Udimet 720, par ses propriétés intrinsèques et par son usage courant dans l'industrie aéronautique, constitue un bon candidat à la condition expresse de pouvoir fabriquer de grands disques avec l'homogénéité microstructurale requise. Pour ces disques de grand diamètre, l'élaboration par Métallurgie des Poudres (MdP) apparaît comme une voie prometteuse pour la fabrication des demi-produits sans macroségrégation. Cependant ce procédé ne permet pas d'obtenir une taille de grain suffisante pour répondre au cahier des charges en fluage. Dans cette perspective, un cycle de Compression Isostatique à Chaud (CIC) découplé en température et pression a été appliqué à la poudre. On obtient une microstructure présentant une taille de grain supérieure à celle de l'Udimet 720 MdP consolidé par un cycle de CIC conventionnel. L'objectif de cette thèse est d'étudier le comportement à haute température de cet alliage. Les observations par microscopie ont révélé une structure composée de grains fins d'une taille d'environ 20 5m associée à des gros grains dont la taille peut atteindre 80 5m, répartis de façon homogène. Les observations ont également montré que la majorité des joints de grains ne sont pas contigus avec les frontières des anciennes particules de poudre (PPB pour Prior Particles Boundaries). Par ailleurs, l'application de traitements thermiques post-CIC conventionnels permet d'obtenir une précipitation g' composée de deux populations de précipités de tailles différentes. L'étude des propriétés à haute température de l'alliage a révélé un comportement en fluage à 700°C et 750°C proche de celui d'une nuance forgée à gros grains et donc une résistance en fluage fortement augmentée par rapport à l'Udimet MdP consolidé par un cycle de CIC conventionnel. L'accroissement du temps à rupture observé en fluage est attribué d'une part au découplage des joints de grains avec les PPB, diminuant ainsi le nombre de sites d'endommagement, et d'autre part à l'augmentation de taille de grain limitant la déformation par glissement intergranulaire. Dans la gamme de contraintes prospectée, les résultats ont montré que la vitesse de déformation est contrôlée par des mécanismes de déformation dislocationnels avec principalement du contournement d'Orowan. La déformation à haute température de l'alliage étudié a été modélisée. Le modèle utilisé est basé sur l'évolution de la densité de dislocations. La valeur des différents paramètres mis en jeu a été estimée ou encadrée à partir des caractéristiques physiques de l'alliage puis ajustée sur la partie primaire et secondaire de trois courbes de fluage. Le jeu de paramètres obtenu a ensuite été employé pour simuler les courbes de fluage aux différentes contraintes ainsi que les courbes de traction à trois vitesses de déformation différentes. Les résultats ont montré que le modèle décrit bien le fluage primaire et secondaire du matériau ainsi que la traction à basse vitesse. Ce modèle nous a permis de prévoir le comportement en fluage du matériau quand la précipitation g' est modifiée par une variation des traitements thermiques post-CIC

L'ETUDE PRESENTEE ICI VISE A CARACTERISER LE COMPORTEMENT EN FLUAGE D'UN SUPERALLIAGE FORGE POUR DISQUES DE TURBOMACHINES, L'UDIMET 720, A UNE TEMPERATURE DE 850\C. UNE APPROCHE ORIGINALE, METTANT EN UVRE DES EPROUVETTES A SECTIONS UTILES MULTIPLES, A PERMIS DE CARACTERISER LE COMPORTEMENT MECANIQUE DE L'ALLIAGE EN FLUAGE, MAIS EGALEMENT DE PROCEDER A UNE ETUDE SYSTEMATIQUE DES MECANISMES D'ENDOMMAGEMENT INTERVENANT A HAUTE TEMPERATURE. LA CONTRIBUTION DES EFFETS D'ENVIRONNEMENT AU COMPORTEMENT MACROSCOPIQUE DE L'ALLIAGE A ETE MISE EN EVIDENCE PAR LE BIAIS D'ESSAIS DE FLUAGE REALISES SOUS VIDE SECONDAIRE, OU SUR DES MICRO-EPROUVETTES A SECTION UTILE REDUITE. LES MECANISMES D'ENDOMMAGEMENT INTERVENANT EN FLUAGE ONT ETE IDENTIFIES SUR LA BASE D'OBSERVATIONS METALLOGRAPHIQUES D'EPROUVETTES ROMPUES EN FLUAGE OU PARTIELLEMENT ENDOMMAGEES. TROIS MECANISMES ONT PU ETRE IDENTIFIES : UN MECANISME D'OXYDATION SUPERFICIELLE DE L'ALLIAGE, UN MECANISME D'OXYDATION PREFERENTIELLE DES JOINTS DE GRAINS DE L'ALLIAGE, FORTEMENT COUPLE AVEC LE CHARGEMENT MECANIQUE, ET UN MECANISME DE COALESCENCE DES PRECIPITES DE LA PHASE DURCISSANTE RENFORCANT UNIFORMEMENT LA MATRICE DE L'ALLIAGE. LA DEMARCHE ADOPTEE NOUS A PERMIS DE DETERMINER, POUR CHACUN DE CES MECANISMES, UNE CINETIQUE D'EVOLUTION ET DE QUANTIFIER LES COUPLAGES EXISTANT ENTRE LES EVOLUTIONS MICROSTRUCTURALES DE L'ALLIAGE ET LE CHARGEMENT MECANIQUE. A PARTIR DES LOIS D'EVOLUTION DE L'ENDOMMAGEMENT INDUIT PAR CHACUN DE CES MECANISMES, ON PROPOSE UNE MODELISATION PHENOMENOLOGIQUE DU COMPORTEMENT ET DE L'ENDOMMAGEMENT DE L'UDIMET 720 SOLLICITE EN FLUAGE. LE MODELE PERMET DE DECRIRE LE COMPORTEMENT MACROSCOPIQUE EN FLUAGE, JUSQU'A RUPTURE, D'UNE EPROUVETTE DE GEOMETRIE SIMPLE. LA MODELISATION PROPOSEE PERMET DE DEGAGER DES REGLES POUR LE DIMENSIONNEMENT DE PIECES, ET DE METTRE EN EVIDENCE LES PARAMETRES MICROSTRUCTURAUX POUVANT ETRE OPTIMISES POUR AMELIORER LA RESISTANCE EN FLUAGE DES SUPERALLIAGES A BASE DE NICKEL.

Les industriels de l'aéronautique et de l'énergie cherchent continuellement à accroître les températures de fonctionnement de leurs turbomachines dans un souci de rendement et de diminution des émissions polluantes. L'amélioration de la durabilité des composants constitue également une de leurs priorités. Dans ce contexte, la résistance mécanique des superalliages à base de nickel polycristallins utilisés pour les disques de turbines est un point clef. Cette thèse porte sur les modes de déformation et d'endommagement qui se développent à 700°C lors de sollicitations mécaniques de type fatigue, fluage et fatigue-fluage au sein de deux structures métallurgiques différentes de l'alliage Udimet 720. Les différences de comportement mécanique sont analysées au travers des structures de dislocations et de l'évolution des mécanismes qui opèrent à cette échelle. Le rôle des conditions de chargement (s, Dt) et de la microstructure de précipitation g' multimodale est précisé notamment concernant la transition entre le cisaillement des précipités g' et leur contournement. En parallèle, les processus d'amorçage de fissures et de leur propagation sont caractérisés. Si une transition inter –transgranulaire de la croissance des fissures est constatée pour certaines conditions de chargement, l'endommagement des joints de grains et de macles domine. Des interactions complexes fatigue-fluage-oxydation sont de plus mises en évidence par la réalisation d'essais mécaniques équivalents conduits sous air et sous vide. Dans le domaine de haute température exploré, la microstructure de précipitation de cet alliage n'est pas stable. Les effets d'un traitement de vieillissement ont été quantifiés ainsi que leurs répercussions sur le comportement mécanique et la durée de vie. Systématiquement les deux structures métallurgiques homogène et hétérogène ont été comparées.

L'alliage N19 est un superalliage base nickel, élaboré par métallurgie des poudres, qui a été développé récemment en vue d'une application pour disques de turbine aéronautique. L'objectif de cette étude est d'optimiser la microstructure de cet alliage en agissant sur les paramètres de traitements thermiques pour améliorer les propriétés mécaniques de l'alliage. Une bonne compréhension des relations entre les paramètres de traitements thermiques et la microstructure, d'une part, et, des relations entre la microstructure et les propriétés mécaniques, d'autre part, est donc nécessaire. De nombreux traitements thermiques ont été appliqués à l'alliage N19 pour évaluer l'effet de la température de mise en solution, des conditions de refroidissement et de la température de revenu sur la taille de grains, et sur la taille et la distribution des précipités gamma prime. L'observation des microstructures en microscopie électronique à balayage et en transmission a permis d'évaluer l'effet des différentes étapes du traitement thermique sur les caractéristiques microstructurales de l'alliage. L'effet de ces modifications microstructurales sur la vitesse de propagation de fissure en fatigue-fluage à 650°C a été étudié. Les résultats de ces essais de propagation de fissure en fatigue-fluage ont été analysés à l'aide d'essais de comportement en fatigue-relaxation. Une synthèse des différentes propriétés mécaniques de l'alliage en fonction des paramètres de traitements thermiques et des caractéristiques microstructurales a été proposée.

Les avions de combat modernes tirent leur agilité et leur manoeuvrabilité de leur système de propulsion, dont le rapport poussée/masse ne cesse d'augmenter. Cela a été rendu possible, en grande partie, par l'introduction de matériaux à haute résistance dans les disques de turboréacteur. Dans ces pièces, les contraintes sont biaxiales (traction-traction). Le dimensionnement des disques repose sur la connaissance du comportement des matériaux utilisés : fatigue de contrainte ou déformation imposée, amorçage de fissures, propagation de fissures et rupture finale. Au CEAT (Centre d'Essais Aéronautique de Toulouse), nous avons développé un moyen d'essai de fatigue biaxiale à hautes températures (T

DES ESSAIS DE FLUAGE EN TRACTION ONT ETE REALISES SUR LE SUPERALLIAGE MONOCRISTALLIN A BASE NICKEL CMSX-2, T.T. ONERA, 001, DANS LE BUT D'ETUDIER LE COMPORTEMENT MECANIQUE A CHAUD DE CE MATERIAU. A PARTIR DES LOIS MATHEMATIQUES DE FLUAGE ET DE RELAXATION DE LA CONTRAINTE, UN MODELE UNITAIRE DE COMPORTEMENT A ETE PROPOSE. L'EXAMEN PAR M.E.T. DES MICROSTRUCTURES FLUEES A PERMIS D'APPORTER UNE SIGNIFICATION PHYSIQUE AUX DIFFERENTS PARAMETRES DE LA LOI ET D'ESQUISSER UNE CARTOGRAPHIE DES MECANISMES PARTICIPANT A LA DEFORMATION, POUR DE FAIBLES TAUX PRECEDANT TOUTE COALESCENCE PRONONCEE DES PRECIPITES. DES EFFETS DE LA COMPOSITION CHIMIQUE, DES SOLLICITATIONS ET DES CARACTERISTIQUES DES PRECIPITES DURCISSANTS SUR LA TENUE EN FLUAGE DU CMSX-2 ONT ALORS ETE EXAMINES A LA FOIS SUR LE PLAN CINETIQUE ET SUR CELUI DES MECANISMES. CERTAINS COUPLAGES ENTRE LES DIFFERENTS EFFETS SONT APPARUS ENTRAINANT DE NOUVELLES REPARTITIONS DES MECANISMES DE DEFORMATION. L'ASYMETRIE TRACTION/COMPRESSION DU COMPORTEMENT EN FLUAGE, REVELEE PAR LA COMPARAISON DES MESURES DE VITESSES QUASI STATIONNAIRES, A EGALEMENT PU ETRE ASSOCIEE A DES DIFFERENCES DE MICROSTRUCTURES APRES DEFORMATION. DES ESSAIS DE FLUAGE EN CISAILLEMENT ONT MIS EN EVIDENCE LE ROLE DECISIF JOUE PAR LES PRECIPITES SUR LA REDISTRIBUTION LOCALE DU CHAMP DE CONTRAINTES MACROSCOPIQUE. CE DERNIER POINT A SOULIGNE UNE FOIS DE PLUS L'INTERET D'UNE ETUDE PLUS FONDAMENTALE DES INTERFACES GAMMA/GAMMA PRIME: L'ELABORATION PAR LA TECHNIQUE DE SOUDAGE-DIFFUSION ET LA CARACTERISATION D'INTERFACES SYNTHETIQUES ONT ETE ABORDEES DANS CETTE PERSPECTIVE

En service, les hélicoptères bi-turbines peuvent rencontrer des régimes d’urgence dits OEI : un moteur s’arrête ce qui provoque une augmentation de la température en sortie de chambre de combustion. Dans ce contexte, le comportement en fluage anisotherme du superalliage monocristallin MC2 a été étudié afin de comprendre les répercussions de surchauffes à 1200°C sous charge sur son comportement ultérieur en fluage à 1050°C. Des moyens d’essai spécifiques ont été développés pour caractériser le matériau dans des conditions thermiques représentatives. Les principales modifications après OEI sont l’apparition systématique d’un nouveau régime de fluage primaire, une vitesse de déformation en régime secondaire et une tolérance à l’allongement accrues. Ces modifications dépendent de la durée d’OEI et conduisent à un effet paradoxal sur un matériau préflué puisque les durées de vie post-OEI augmentent avec le temps de maintien à 1200°C. Les observations microstructurales montrent que le nouveau régime primaire découle des cinétiques de dissolution à 1200°C et de recoalescence à 1050°C de la phase ’ ; la vitesse de déformation et la tolérance à la déformation accrues sont attribuées à une modification des mécanismes de déformation. Pour rendre compte de ces résultats de façon satisfaisante, une loi viscoplastique de type Chaboche a été identifiée en isotherme, puis modifiée en anisotherme en introduisant deux nouvelles variables internes et une fonction de restauration.