Dubiez-Le Goff, Sophie (2003) Comportement et endommagement d'un superalliage élaboré par compression isostatique à chaud. PhD thesis Sciences et génie des matériaux, ENSMP - Centre des Matériaux P.M. Fourt, ENSMP.

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Abstract

Cette étude concerne l'analyse du comportement et de l'endommagement du superalliage Udimet 720 élaboré par compression isostatique à chaud (CIC). Cette nuance est envisagée pour la réalisation de disques de turbine des futurs Réacteurs à Haute Température (RHT). Le choix du matériau pour disque de turbine RHT repose sur les critères suivants: une bonne résistance en fluage jusqu'à 700°C, un bon comportement sous environnement de type hélium impur, une mise en oeuvre possible sous forme d'un disque de 1,5 m de diamètres

Table of content

INTRODUCTION ET CONTEXTE DE L'ETUDE
1 Contexte de l'étude: les Réacteurs à Haute Température (RHT) - 1
1.1 Caractéristiques du réacteur RHT - 2
2 Cahier des charges de la turbine du RHT - 3
2.1 Cahier des charges du matériau des aubes - 4
2.2 Cahier des charges du matériau du disque - 4
2.2.1 Dimensions et température - 5
2.2.2 Chargement mécanique - 6
2.2.3 Environnement sous hélium impur et aspect nucléaire - 6
2.2.4 Retour d'expérience - 7
3 Choix du matériau pour disque de turbine RHT - 7
3.1 Objectifs de la thèse - 8
CHAPITRE 1: ÉTUDE BIBLIOGRAPHIQUE
1 Caractéristiques des superalliages pour disques de turbines - 10
1.1 Bref aperçu sur l'historique des superalliages - 10
1.2 Principaux alliages pour disques de turbines - 12
1.3 Procédés d'élaboration des disques de turbines - 12
1.3.1 Voie lingot-forgeage - 13
1.3.2 Métallurgie des Poudres - 13
1.3.3 Traitements thermiques et microstructure - 14
1.4 Élaboration et microstructure de l'Udimet 720 - 15
1.4.1 Faisabilité d'un disque de turbine de RHT en Udimet 720 - 15
1.4.2 Traitements thermiques de l'Udimet 720 - 16
1.4.2.1 Traitement thermique HS - 16
1.4.2.2 Traitement thermique CR - 18
1.4.3 Adaptations possibles des traitements HS et CR - 19
1.5 Contrôle de la taille de grain et de la précipitation g' - 19
1.5.1 Influence de la température de mise en solution sur les précipités g' - 19
1.5.2 Matériaux MdP et croissance de grain - 20
2 Mécanismes de déformation de fluage des superalliages - 24
2.1 Généralités sur le fluage - 24
2.1.1 Définition - 24
2.2 Approche macroscopique - 25
2.2.1 Modèles de prédiction du temps à rupture ou de la déformation critique - 25
2.2.1.1 Relation de Monkman-Grant - 25
2.2.1.2 Modèles de type Larson-Miller - 26
2.2.2 Modèles basés sur la vitesse de déformation stationnaire - 26
2.3 Approche microscopique - 28
2.3.1 Les différents mécanismes de fluage - 28
2.3.1.1 Fluage-dislocations - 29
2.3.1.2 Fluage-diffusion et glissement intergranulaire - 32
2.3.1.3 Influence de la taille de grain - 36
2.3.2 Carte d'Ashby - 37
2.3.3 Modèles de comportement de fluage - 39
2.3.3.1 Modèles de fluage basés sur mécanique d'endommagement continu (CDM) - 39
2.3.3.2 Comparaison des lois CDM avec d'autres méthodes de prédiction - 46
2.4 Description des modes de franchissement des précipités g' - 49
2.4.1 Les différents mécanismes - 49
2.4.1.1 Contournement - 49
2.4.1.2 Cisaillement - 50
2.4.2 Transition entre les mécanismes - 54
2.4.2.1 Approche de Bhowal, Wright et Raymond - 55
2.4.2.2 Approche de Jackson et Reed - 56
2.4.2.3 Approche de Locq, Marty et Caron - 58
2.5 Récapitulatif - 60
CHAPITRE 2: MATERIAUX ET TECHNIQUES EXPERIMENTALES
1 Matériau de l'étude - 62
1.1 Composition et mise en œuvre - 62
1.2 Traitements thermiques - 64
1.3 Les différentes microstructures obtenues - 64
1.3.1 Comparaison de l'Udimet 720 HS et CR - 64
1.3.2 Relation entre le traitement thermique et la croissance de la taille de grain - 66
2 Mode opératoire des essais mécaniques - 69
2.1 Essais sur éprouvettes lisses - 69
2.1.1 Essais de traction - 70
2.1.2 Essais de fluage - 70
2.1.3 Essais de relaxation - 70
2.2 Essais sur éprouvettes axisymétriques entaillées - 72
3 Synthèse - 73
CHAPITRE 3: RESULTATS DES ESSAIS MECANIQUES
1 Essais de traction à 20°C, 650°C, 700°C et 750°C - 75
2 Essais de fluage - 77
2.1 Bilan des essais de fluage menés à rupture - 77
2.2 Exploitation macroscopique des résultats - 86
2.2.1 Évolution du temps à rupture en fonction de la contrainte: Représentation de Larson-Miller - 86
2.2.2 Sensibilité de la vitesse à la contrainte: diagramme de Norton - 87
3 Essais de relaxation à 650°C, 700°C et 750°C - 89
4 Essais de fluage sur éprouvettes axisymétriques entaillées - 91
4.1 Bilan des essais - 91
4.2 Effet de l'entaille sur le temps à rupture - 93
5 Synthèse - 95
CHAPITRE 4: OBSERVATION DES MECANISMES DE DEFORMATION ET D'ENDOMMAGEMENT
1 Observations au MET des mécanismes de franchissement des dislocations aux premiers stades de déformation en fluage - 96
1.1 Bilan des essais de fluage interrompus à 650°C et 750°C - 96
1.2 Observations au MET de la structure de dislocations après fluage à 650°C - 98
1.2.1 Udimet 720 HS déformé de 1,3% et 3,5% (650°C, 750 MPa) - 98
1.2.2 Udimet 720 CR déformé de 1,6% (650°C, 750 MPa) - 102
1.3 Observations au MET de la structure de dislocations après fluage à 750°C - 103
1.3.1 Udimet 720 HS déformé de 1% (750°C, 140 MPa) et de 3% (750°C, 280 MPa) - 103
1.3.2 Udimet 720 CR déformé de 1% (750°C, 140 MPa) - 104
2 Observation de l'endommagement - 106
2.1 Observation de l'endommagement à 650°C - 106
2.1.1 Faciès de rupture - 106
2.1.2 Coupes longitudinales - 107
2.2 Observation de l'endommagement à 750°C - 110
2.2.1 Faciès de rupture - 110
2.2.2 Coupes longitudinales - 111
2.3 Observation des éprouvettes entaillées - 114
3 Synthèse - 117
CHAPITRE 5: DISCUSSION
1 Aptitude de l'Udimet 720 à répondre au cahier des charges du disque RHT - 118
1.1 Stabilité de la microstructure - 118
1.1.1 Suivi de dureté - 118
1.1.2 Observations au MET - 120
1.1.3 Conséquences du vieillissement de l'Udimet 720 HS sur les propriétés mécaniques - 122
1.2 Ductilité - 130
1.3 Critère de résistance au fluage pour atteindre 0,2 % et 1% de déformation en 60 000 h - 134
2 Origines du stade tertiaire de fluage - 136
2.1 Définitions - 136
2.2 Cavitation - 137
2.3 Coalescence des précipités - 139
2.4 Augmentation de la contrainte vraie au cours de l'essai - 141
3 Modes de déformation et comportement - 144
3.1 Mécanismes de déformation dans le domaine des contraintes intermédiaires et fortes - 145
3.2 Mécanismes de déformation dans le domaine des contraintes faibles - 150
3.3 Essais de relaxation à 650°C, 700°C, et 750°C - 151
3.4 Écart au modèle classique de contournement des précipités - 154
3.5 Origines possibles de l'adoucissement observé en fluage 650°C et 700°C pour des contraintes intermédiaires - 156
3.5.1 Adoucissement par localisation de la déformation - 156
3.5.2 Lien entre le cisaillement et l'adoucissement - 158
3.5.2.1 Augmentation de la densité de dislocations mobiles - 158
3.5.2.2 Effet d'une pré-déformation avant fluage - 161
3.6 Conclusions sur les mécanismes de déformation de fluage - 163
4 Modèle de comportement de type Dyson et McLean - 165
4.1 Détermination des paramètres - 165
4.1.1 Grandeurs mesurables - 165
4.1.2 Paramètres ajustables - 169
4.1.3 Critère de rupture dans le domaine de fluage tertiaire de structure - 170
4.2 Comparaison entre résultats expérimentaux et simulation - 171
4.2.1 Fluage de type tertiaire de structure dans le domaine des contraintes fortes - 172
4.2.2 Fluage de type tertiaire précoce dans le domaine des contraintes intermédiaires - 176
4.2.3 Fluage de type tertiaire précoce dans le domaine des contraintes faibles - 178
5 Conclusions - 181
CONCLUSION ET PERSPECTIVES - 184
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES - 187
Annexe A: Mécanismes de durcissement et composition des superalliages cités dans la thèse
Annexe B: Indexation des dislocations
Annexe C: Composition de l'Udimet 720 LI de l'étude et méthodes de polissage et d'attaques utilisées
Annexe D: Géométrie des éprouvettes utilisées
Annexe E: Résultats des essais mécaniques

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