CETTE ETUDE PORTE SUR LE COMPORTEMENT EN FISSURATION A 750\C DE SUPERALLIAGES A BASE DE NICKEL POUR DISQUES DE TURBINE. CES ALLIAGES AVAIENT SURTOUT ETE AMPLEMENT ETUDIES JUSQU'AUX TEMPERATURES DE 600-650\C MAIS LE DEVELOPPEMENT DES NOUVEAUX MOTEURS NECESSITE UNE MEILLEURE COMPREHENSION DES INTERACTIONS POSSIBLES ENTRE LES DIFFERENTS FACTEURS QUE SONT LA FATIGUE, LE FLUAGE ET L'OXYDATION QUI GOUVERNENT L'ENDOMMAGEMENT AUX PLUS HAUTES TEMPERATURES. A 750\C, LE MODE DE FISSURATION INTERGRANULAIRE ENTRAINE UNE FORTE SENSIBILITE DES ALLIAGES AUX PARAMETRES MICROSTRUCTURAUX. UNE ETUDE DE FOND A ETE CONDUITE SUR LES INTERACTIONS FATIGUE-FLUAGE SUR UNE MICROSTRUCTURE DE REFERENCE D'UN ALLIAGE : L'ASTROLOY ATGP3. LES TENDANCES OBSERVEES ONT ETE VALIDEES SUR D'AUTRES MICROSTRUCTURES DE CE MATERIAU OU SUR D'AUTRES ALLIAGES : LE N18 OU SUR LE NR3 RECEMMENT DEVELOPPE PAR L'ONERA. L'ETUDE A ETE ABORDEE EN DECOUPLANT LES EFFETS DE FLUAGE ET D'OXYDATION, TOUS DEUX THERMIQUEMENT ACTIVES, PAR UNE CARACTERISATION EN FATIGUE-FLUAGE SOUS VIDE. LA METHODE EXPERIMENTALE MISE AU POINT, BASEE SUR LE SUIVI ELECTRIQUE DE LA FISSURE, A PERMIS DE DISTINGUER LA PROPAGATION A CHAQUE REMISE EN CHARGE DE CELLE SURVENANT PENDANT LE PALIER POUR LES SPECTRES DE CHARGEMENT TRAPEZOIDAUX APPLIQUES. DES INTERACTIONS ENTRE L'ENDOMMAGEMENT CYCLIQUE ET STATIQUE ONT AINSI PU ETRE IDENTIFIEES ET QUANTIFIEES POUR ABOUTIR A UN MODELE PHENOMENOLOGIQUE DE PROPAGATION QUI INTEGRE LES PARAMETRES DE FISSURATION QUE SONT LA FORME DU SPECTRE DE CHARGEMENT ET LE FACTEUR D'INTENSITE DE CONTRAINTE. PAR AILLEURS, DES ESSAIS SOUS AIR ONT ETE CONDUITS POUR PERMETTRE D'IDENTIFIER LES EFFETS COMPLEXES DE L'ENVIRONNEMENT A 750\C. L'EVOLUTION DE LA PRECIPITATION GAMMA PRIME INTRAGRANULAIRE

CE TRAVAIL A POUR OBJET L'ETUDE DE LA FISSURATION A HAUTE TEMPERATURE D'UN SUPERALLIAGE DE LA METALLURGIE DES POUDRES A BASE DE NICKEL, L'ASTROLOY, UTILISE POUR LA FABRICATION DES DISQUES DE MOTEURS D'AVIONS. UNE ETUDE EXPERIMENTALE DE LA PROPAGATION DE FISSURES COURTES ET LONGUES SOUS CHARGEMENT DE FATIGUE, DE FATIGUE-FLUAGE ET DE FLUAGE A ETE EFFECTUEE SOUS AIR ET SOUS VIDE. ON MONTRE QU'UNE BAISSE DE FREQUENCE SOUS AIR CONDUIT A UNE FORTE ACCELERATION DES VITESSES DE FISSURATION, ELLE RESULTE PRINCIPALEMENT D'UNE ACTION DE L'ENVIRONNEMENT. A BASSE FREQUENCE SOUS AIR, L'EVOLUTION DA/DT-K#M#A#X, OBTENUE EN PRENANT UNE VITESSE MOYENNE DA/DT SUR LE CYCLE, EST IDENTIQUE A CELLE OBSERVEE EN FLUAGE PUR. NOUS AVONS IDENTIFIE LES CINETIQUES D'OXYDATION EN SURFACE ET PENETRANTE SUR EPROUVETTES LISSES. UN FORT COUPLAGE ENTRE LA CINETIQUE D'OXYDATION PENETRANTE ET UN CHARGEMENT IMPOSE A AINSI ETE QUANTIFIE. DES ESSAIS DE FISSURATION AVEC PREOXYDATION A HAUTE TEMPERATURE OU AVEC DES TRANSITOIRES DE CHARGEMENT A 650C, ONT MONTRE L'EXISTENCE D'UNE ZONE FRAGILISEE AU-DELA DE LA PENETRATION D'OXYDE. SUR LA BASE DE CES DONNEES EXPERIMENTALES, NOUS PROPOSONS DEUX CALCULS DE CROISSANCE DE FISSURE DISCONTINUE POUR MODELISER LES FORTES VITESSES DE FISSURATION SOUS AIR. DANS UN PREMIER MODELE, LA VITESSE DE FISSURATION RESULTE DE LA RUPTURE D'UN OXYDE FORME EN POINTE DE FISSURE. LA VITESSE DE FISSURATION EST DONC DEDUITE DE LA CINETIQUE D'OXYDATION COUPLEE AU CHARGEMENT EN POINTE DE FISSURE. LE SECOND MODELE EST UN EPUISEMENT DE DUCTILITE: LA FISSURE AVANCE SUR LA DISTANCE OU LE CHARGEMENT MECANIQUE DEPASSE LA DUCTILITE. L'HYPOTHESE D'UNE ACTION DEGRADANTE DE L'ENVIRONNEMENT AMPLIFIEE PAR UN CHARGEMENT A L'ORIGINE DES FORTES VITESSES DE FISSURATION OBSERVEES A BASSE FREQUENCE SOUS AIR EST CONFIRMEE PAR LE BON ACCORD ENTRE LES CALCULS ET L'EXPERIENCE

LE TRAVAIL A PORTE SUR LA RESISTANCE A LA PROPAGATION DES FISSURES A CHAUD DANS UN SUPERALLIAGE A BASE DE NICKEL, LE N18. CET ALLIAGE A ETE RECEMMENT DEVELOPPE PAR LA SNECMA EN VUE DE LA FABRICATION DE DISQUES DE TURBOMACHINE. LES RESULTATS INDIQUENT QUE L'EFFET DE L'ENVIRONNEMENT EST LE PRINCIPAL FACTEUR D'ENDOMMAGEMENT EN FATIGUE ET FATIGUE-FLUAGE. IL FAVORISE L'APPARITION D'UN MODE DE RUPTURE INTERGRANULAIRE. ON MONTRE, PARALLELEMENT, QUE LES PREMIERS INSTANTS DE L'OXYDATION DE L'ALLIAGE CORRESPONDENT A LA FORMATION D'UN OXYDE DU TYPE (NI,CO,O), NON PASSIVANT, CE, MALGRE LA FORTE TENEUR EN CHROME DE L'ALLIAGE (23%AT. DANS LA MATRICE ). ON MET EN EVIDENCE L'EXISTENCE D'UNE PRESSION PARTIELLE D'OXYGENE DE TRANSITION, DE L'ORDRE DE 10#-#6 ATM., EN DECA DE LAQUELLE TOUT EFFET FRAGILISANT DE L'ENVIRONNEMENT CESSE. CELA S'ACCOMPAGNE D'UN CHANGEMENT DANS LE MODE D'OXYDATION DE L'ALLIAGE: CELUI-CI DEVIENT CHROMEFORMEUR. L'EFFET DE L'ENVIRONNEMENT AGIT DE FACON TOTALEMENT COUPLEE A LA MECANIQUE. CELA SE TRADUIT PAR DEUX PHENOMENES MARQUANTS, LORSQUE LA PRESSION PARTIELLE D'OXYGENE EST SUPERIEURE A LA PRESSION DE TRANSITION: SON EFFET FRAGILISANT EST LARGEMENT ACCRUE LORSQUE LE CHARGEMENT MECANIQUE COMPORTE UNE COMPOSANTE STATIQUE IMPORTANTE (L'EFFET D'UN TEMPS DE MAINTIEN A LA CHARGE MAXIMUM DU CYCLE DE FATIGUE EST PLUS IMPORTANT QUE CELUI DE LA FREQUENCE DU CYCLE). LA RESISTANCE A LA PROPAGATION DES FISSURES PEU ETRE TRES AFFECTEE PAR LA MICROSTRUCTURE DE L'ALLIAGE ET EN PARTICULIER, PAR LA PRESENCE DE PRECIPITES ' D'UNE TAILLE INFERIEURE A 100 NM, PRES DES JOINTS DE GRAINS DE L'ALLIAGE. L'EFFET DE LA MICROSTRUCTURE EST SURTOUT SENSIBLE EN PRESENCE D'UN CHARGEMENT AYANT COMPOSANTE STATIQUE IMPORTANTE. ON CONCLU QUE LE MECANISME DE RUPTURE LE PLUS ENDOMMAGEANT EST CELUI FAISANT INTERVENIR UN COUPLAGE ENTRE LE FLUAGE ET L'EFFET DE L'ENVIRONNEMENT, LOCALISE AU NIVEAU DES JOINTS DE GRAINS DE L'ALLIAGE. ON EMET L'HYPOTHESE QUE CE MECANISME DE RUPTURE EST UN PHENOMENE DE GLISSEMENT INTERGRANULAIRE FAVORISE PAR LA PRESENCE D'OXYGENE DANS LES JOINTS DE GRAINS, LAQUELLE SERAIT UNE CONSEQUENCE DU MODE D'OXYDATION DE L'ALLIAGE

Les aubes de la turbine haute pression des turboréacteurs ou des turbines terrestres sont des composants importants soumis à des chargements thermomécaniques sévères. Ces aubes sont fréquemment réalisées en superalliage à base de nickel monocristallin. Les modèles de durée de vie actuels décrivent l'amorçage de microfissures, alors que plusieurs études ont montré la nécessité de tenir compte de leur propagation. L'objet de cette thèse était donc de la modéliser par l'approche locale de la rupture en fatigue et en fatigue-fluage. Nous avons d'abord identifié une loi de comportement cristallographique dans des conditions de sollicitation variées. Cette loi a été utilisée pour simuler l'activation des systèmes de glissement en pointe de fissure à haute température sous sollicitations cycliques. Des essais de fissuration à haute température ont alors été réalisés pour comprendre l'influence de plusieurs paramètres. On montre notamment que les effets de l'orientation cristallographique ou de l'environnement sont peu marqués. Deux modèles complémentaires de propagation de fissure sont proposés. Le premier permet d'estimer rapidement la vitesse de propagation en fonction des conditions de chargement. Il s'agit d'un post-traitement de calculs cycliques par éléments finis, utilisable à moyen terme en milieu industriel. Le deuxième modèle permet de simuler le chemin de fissuration, notamment la bifurcation de fissure. C'est un modèle d'endommagement continu. Ces outils ont été validés dans plusieurs conditions de chargement. Ils offrent des perspectives prometteuses d'amélioration des prédictions de durée de vie. L'extension des modèles au cas anisotherme, la modélisation non locale de l'endommagement et la diminution des temps de calcul sont des points sur lesquels des progrès sont possibles.

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.

Les moteurs devant équiper un avion supersonique civil de deuxième génération devront avoir une durée de vie plus grande que les moteurs actuels, et présenter un rendement amélioré. Les disques de turbine seront en conséquence exposés de manière prolongée à des températures élevées, de l'ordre de 700 °C. L'enjeu de cette étude est d'analyser, dans ces conditions, l'évolution de la microstructure métallurgique du superalliage base nickel N18 induite par le maintien à haute température, et d'en évaluer les conséquences sur les processus contrôlant sa durée de vie en fatigue, en fluage, et en fatigue-fluage à 700 °C. Notre approche expérimentale s'est appuyée sur une caractérisation de la modification de la précipitation gamma', qui concerne essentiellement la population la plus fine (tertiaire), et sur divers types d’essais mécaniques à haute température. Nous proposons des approches de type LSW et LSW modifiée pour décrire la croissance des précipités tertiaires à court terme et pour rendre compte du fort ralentissement de la cinétique qui a été mis en évidence à long terme. Aucun effet du vieillissement n'a été noté lorsque le matériau est testé en fatigue. En revanche, une réduction significative de la durée de vie en fatigue-fluage est observée. Nous avons analysé celle-ci au travers de l'étude de l'endommagement du matériau, associé aux précipités gamma' primaires, mais aussi des forts couplages existant entre fatigue, fluage et oxydation dans ces conditions de sollicitation à très haute température

L'OBJECTIF DE CETTE ETUDE SUR DE LA PROPAGATION DES FISSURES PAR FATIGUE A HAUTE TEMPERATURE DANS L'ALLIAGE 718 EST D'UNE PART DE S'APPROCHER DES CONDITIONS REELLES D'UTILISATION ET D'AUTRE PART DE CONTRIBUER A LA COMPREHENSION DE L'EFFET D'UN TEMPS DE MAINTIEN PENDANT UN CYCLE DE FATIGUE. LE PREMIER ASPECT EST ABORDE PAR L'UTILISATION D'UNE PIECE INDUSTRIELLE REELLE (DISQUE DE TURBINE) DE LA PRODUCTION DE SNECMA MOTEURS. DES ESSAIS DE PROPAGATION EN FATIGUE-FLUAGE A 650\C SUR EPROUVETTES CT (FISSURES LONGUES 2D) AINSI QUE SUR EPROUVETTES KB 2.5 (PETITES FISSURES SEMI-CIRCULAIRES) MONTRENT UNE FORTE INTERACTION ENTRE L'ORIENTATION DU FRONT DE FISSURE ET LE FIBRAGE INDUIT PAR LES OPERATIONS DE MISE EN FORME. LORSQUE LE FRONT DE FISSURE EST PERPENDICULAIRE AU FIBRAGE, LE DELAMINAGE TRANSVERSE DES EPROUVETTES LE LONG D'ALIGNEMENTS DE PHASES ANNULE TOUT EFFET ACCELERATEUR DU TEMPS DE MAINTIEN. LORSQUE LE FRONT DE FISSURE SE PROPAGE ENTRE LES NAPPES DE PHASE , L'EFFET DE TEMPS DE MAINTIEN EST TRES MARQUE. SUR DEFAUT 3D, UNE FORTE ANISOTROPIE DE LA VITESSE DE PROPAGATION EST OBSERVEE, LIEE AUX EFFETS D'ENVIRONNEMENT CAR ABSENTE SOUS VIDE. POUR LE SECOND ASPECT, L'APPLICATION DE CHARGEMENTS MECANIQUES PLUS PROCHES DE LA REALITE QUE LE CYCLE DE FATIGUE-FLUAGE MONTRE QUE LA SENSIBILITE AU TEMPS DE MAINTIEN PEUT ETRE FORTEMENT REDUITE DES QU'ON DECHARGE MECANIQUEMENT L'EPROUVETTE AVANT L'APPLICATION DU PALIER (CYCLE AVEC PIC DE CONTRAINTE). DES 20% DE DECHARGE, L'EFFET D'UN TEMPS DE MAINTIEN DE 300S EST ANNULE. LA SIMULATION NUMERIQUE DE CE TYPE DE CHARGEMENT MONTRE QUE LES EFFETS D'ENVIRONNEMENT SONT ANNIHILES PAR UNE RELAXATION RAPIDE DES CONTRAINTES ET UNE FORTE DIMINUTION DE LA VITESSE DE DEFORMATION, EMPECHANT LE TRANSPORT DES ESPECES FRAGILISANTES DANS LE MATERIAU. DE PLUS, ON MONTRE QUE LA VARIATION DE LA TEMPERATURE PENDANT LE TEMPS DE MAINTIEN PEUT EGALEMENT MENER A UN FORT RALENTISSEMENT DE LA VITESSE DE PROPAGATION PAR RAPPORT A DES CONDITIONS ISOTHERMES.