Academic literature on the topic 'Alliages réfractaires – Fluage – Propriétés mécaniques'

Les alliages austénitiques réfractaires Fe-Ni-Cr sont utilisés pour la fabrication des tubes coulés par centrifugation constituant les fours de vapocraquage. Ces tubes sont soumis à de très hautes températures (950-1150°C) sous quelques bars dans un environnement sévère (oxydation, carburation, cokage, …). Les développements actuels portent sur des alliages alliés avec de l’Al afin d’améliorer leur résistance à l’environnement via la formation d’une couche d’alumine protectrice. Cependant l'ajout d'Al diminue les propriétés en fluage. La problématique majeure de ce travail est de comprendre l’influence de la composition chimique et plus particulièrement de l’Al sur la microstructure et les propriétés en fluage dans l’optique de proposer une nouvelle nuance à forte teneur en Al (>3.5%m) résistante en fluage. Dans cette étude, plusieurs alliages aluminoformeurs (AFA) ont été testés en fluage et caractérisés microstructuralement après solidification, après vieillissement thermique et après fluage dans l’optique de faire le lien entre leurs propriétés en fluage et leurs microstructures. Ce travail a montré que : - La nature des carbures primaires de Cr conditionne la résistance en fluage des alliages dans le régime haute contrainte. - La précipitation secondaire de carbures M23C6 est déterminante concernant les propriétés en fluage dans le régime haute contrainte mais a peu d’effet dans le régime basse contrainte. - L’addition de teneur élevée en Y empêche le développement de la précipitation secondaire de M23C6 malgré la transformation des M7C3 primaires en M23C6. - L’ajout de fortes teneurs en Al associé à de fortes teneurs en Cr stabilise les phases ductiles NiAl et α’ aux températures de service. La phase NiAl a été identifiée comme étant néfaste en fluage. Toutes ces conclusions ont permis de développer une méthode d’optimisation de la composition chimique d’alliages austénitiques à forte teneur en Al résistant en fluage. L’objectif industriel consistant à développer des alliages à forte teneur en Al (>3.5%m d’Al) alliant de bonnes propriétés en fluage et une bonne résistance à l’environnement a été rempli et s’est concrétisé par le développement de la Manaurite® XAl4 actuellement commercialisée par Manoir Industries
Heat resistant Fe-Ni-Cr austenitic stainless alloys are used in centrifugally cast tubes for cracking furnaces. These tubes undergo high temperatures (950-1150°C), low pressure (few bars) in a harsh environment (oxidation, carburization, coking, …). The current developments are focused on alloys with high Al-content in order to improve the environmental resistance thanks to the formation of a protective alumina scale. Nevertheless, Al is known to decrease the creep properties. The main goal is to understand the influence of the chemical composition especially the Al-content on the microstructure and the creep properties in order to propose a new creep-resistant alloy with high Al-content (>3.5wt.%). In this study, several aluminaforming austenitic alloys (AFA) were tested in creep and their microstructures characterized after solidification, after thermal ageing and after creep in order to make the link between creep properties and microstructures. This work showed: - The nature of primary Cr-carbides determines the creep resistance of these alloys in the high stress regime. - The secondary precipitation of M23C6 is crucial regarding the creep properties in the high stress regime but has low impact in the low stress regime. - The addition of high level of Y prevents the secondary precipitation of M23C6 despite the M7C3 transformation into M23C6. - The addition of high Al and Cr contents stabilizes the NiAl and α’ ductile phases at service temperature. The NiAl phase was identified as deleterious for the creep properties. These conclusions allowed to develop a method for chemical composition optimization of creep resistant austenitic alloy with high Al-content. The industrial aim consisting to develop alloys with high Al-content (>3.5wt.%) with good environment resistance while keeping good creep properties was filled and resulted in the development of the Manaurite® XAl4 currently commercialized by Manoir Industries

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.

Dans l'objectif de la modernisation du moteur M88 de la SNECMA, de nouvelles spécifications relatives au matériau des pièces qui sont actuellement forgées et usinées en superalliage N18 - notamment les disques de turbine haute pression - ont été formulées. Cette étude s'est attachée à la définition de nouveaux superalliages polycristallins à base de nickel, élaborés par métallurgie des poudres, qui répondent à ces spécifications, c'est-à-dire, globalement, qui présentent des propriétés mécaniques et une stabilité microstructurale supérieures à celles du N18 tout en diminuant sensiblement la fraction volumique de la phase durcissante γ'. En se référant aux connaissances collectées sur le rôle des différents éléments d'alliages et des traitements thermiques sur les caractéristiques microstructurales et mécaniques des superalliages, de nouvelles compositions sont proposées. Les alliages expérimentaux, élaborés selon ces compositions, sont analysés microstructuralement et testés mécaniquement en traction, en fluage et en propagation de fissure afin de comparer leurs propriétés à celles de superalliages utilisés industriellement et pris comme références. Certains des alliages testés présentant une remarquable tenue en traction et en fluage, une analyse en microscopie électronique en transmission des mécanismes de déformation a été réalisée et une interprétation de cette excellente résistance à la déformation à haute température est proposée
In order to upgrade the SNECMA M88 engine, new specifications were issued for the material of the parts that are currently made by forging and machining N18 superalloy, including, essentially, turbine discs. This study focuses on the development of new Nickel base polycrystalline superalloys which meet these specifications, i. E. Which generally exhibit mechanical properties and microstructural stability better than that of alloy N18, in spite of a significant reduction of the γ' volume fraction. Refering to the state of the art on the specific role of each of the various alloying elements and of heat treatments on the microstructural and mechanical characteristics of the superalloys, new compositions are explored. The microstructures of these experimental alloy compositions are analysed. Tensile, creep and crack propagation tests are performed in order to compare the properties of these new alloys with those of reference, industrially used, superalloys. Among the evaluated alloys, those exhibiting a remarkable tensile and creep resistance were examined by transmission electron microscopy in order to identify the various deformation mechanisms: an interpretation of the outstanding resistance to deformation is presented

Dans l'objectif de la modernisation du moteur M88 de la SNECMA, de nouvelles spécifications relatives au matériau des pièces qui sont actuellement forgées et usinées en superalliage N18 - notamment les disques de turbine haute pression - ont été formulées. Cette étude s'est attachée à la définition de nouveaux superalliages polycristallins à base de nickel, élaborés par métallurgie des poudres, qui répondent à ces spécifications, c'est-à-dire, globalement, qui présentent des propriétés mécaniques et une stabilité microstructurale supérieures à celles du N18 tout en diminuant sensiblement la fraction volumique de la phase durcissante γ'. En se référant aux connaissances collectées sur le rôle des différents éléments d'alliages et des traitements thermiques sur les caractéristiques microstructurales et mécaniques des superalliages, de nouvelles compositions sont proposées. Les alliages expérimentaux, élaborés selon ces compositions, sont analysés microstructuralement et testés mécaniquement en traction, en fluage et en propagation de fissure afin de comparer leurs propriétés à celles de superalliages utilisés industriellement et pris comme références. Certains des alliages testés présentant une remarquable tenue en traction et en fluage, une analyse en microscopie électronique en transmission des mécanismes de déformation a été réalisée et une interprétation de cette excellente résistance à la déformation à haute température est proposée.

Compte tenu de l’évolution des températures d’entrée de turbines, le principal enjeu pour les métallurgistes est d’élaborer des alliages capables de présenter d’excellentes propriétés mécaniques à des températures de plus en plus élevées. Dans ce contexte, connaitre les relations entre les différents paramètres microstructuraux et les propriétés mécaniques à haute température (700°C et plus) est capital.La durabilité en fluage et en fatigue-temps de maintien ainsi que les processus d’endommagement de l’alliage AD730™, un nouveau superalliage pour disques de turbines, ont été analysés. Plusieurs paramètres ont été étudiés, qu’ils soient microstructuraux (joints de grains, taille de grains, taille et distribution des précités γ′), ou expérimentaux (température, environnement, contrainte appliquée, temps de maintien). L’utilisation de monograins de composition chimique identique à l’alliage de l’étude a permis de mettre en évidence le fait qu’une microstructure monogranulaire ne présente pas nécessairement de meilleures propriétés en fluage qu’une microstructure polycristalline. Ceci est attribué au rôle durcissant des joints de grains. Il a de plus été montré qu’à 700°C, la taille et la distribution des précipités γ′ est le paramètre microstructural pilotant les propriétés viscoplastiques à l’ordre 1.En fatigue avec temps de maintien, un comportement original a été observé pour les longs temps de maintien en fonction de la contrainte appliquée. Ce phénomène est attribué à un effet « type Bauschinger » apparaissant lors des phases de décharges
In view of the turbine entry temperature evolution, the main challenge for metallurgists is to elaborate new alloys able to withstand higher temperatures while keeping great mechanical properties. Therefore, knowing the relationships between microstructural parameters and mechanical properties at high temperatures (700°C and more) is mandatory.The creep and dwell-fatigue durability as well as the damage mechanisms of AD730™, a new nickel base superalloy developed for turbine disks, have been analyzed. Several microstructural parameters were studied (grain boundaries, grain size, size and distribution of γ′ precipitates) as well as experimental parameters (temperature, environment, applied stress or dwell period). By using single crystalline specimens having the same chemical composition of the studied alloy, it has been shown unambiguously that single crystalline microstructures do not necessarily present better creep properties compared to polycristalline ones. This result is supposed to be caused by a grain boundary strengthening mechanism. Moreover, in creep at 700°C, it has been shown that the main viscoplasticity controlling parameters are the size and distribution of γ′ precipitates.An unexpected dwell-fatigue behavior has been observed for long hold times and in a specific applied stress window. This phenomena is attributed to a “Bauschinger type” effect, occurring during unloading phases

Ce mémoire de thèse est consacré à une étude du fluage isotherme et anisotherme à diversniveaux de température et à l’analyse fine des évolutions microstructurales associées à diverschargements thermomécaniques imposés du superalliage monocristallin, CMSX-4®. Cetravail est complété par la validation d’un modèle de comportement mécanique permettantd’intégrer ces évolutions microstructurales (fraction volumique des phases en présence,largeur des couloirs de matrice gamma, ...) pour déterminer la durée de vie du matériau.Parallèlement, le rôle de la microstructure initiale du matériau associée aux traitementsthermiques imposés dans la phase d’élaboration a été étudié. Il a été montré un effet marquéde cette microstructure initiale lors des essais de fluage à basse température (< 900°C), ainsique lors des essais de fluage anisotherme. Une microstructure de précipitation en radeaux detype N a été montrée comme particulièrement néfaste pour la résistance en fluageanisotherme. Enfin, le comportement du CMSX-4® est systématiquement comparé à celuiprécédemment établi dans des conditions similaires sur d’autres superalliages monocristallinspour pales haute pression
This thesis is dedicated to the study of the isothermal and non-isothermal creep behavior in awide temperature range, and to the analysis of the microstructural evolution during differentthermomechanical paths on the superalloy single crystal, CMSX-4®. Moreover, the validationof a mechanical behavior model validation completes this work. This model takes intoaccount the microstructural evolutions (e.g. phase volume fraction, gamma-matrix channelwidth…) to predict the creep life. Additionally, the effect of the initial microstructure fromthe heat treatment has been investigated. It has been shown a strong impact of the as-receivedmicrostructure on the low temperature isothermal creep properties, and during non-isothermalcreep. A N-type rafted microstructure has been shown to be particularly detrimental to thenon-isothermal creep properties. Finally, the behavior of the CMSX-4® has been comparedwith the previous studies realized in the same conditions on other single crystal superalloysfor blades applications

Le procédé de soudage Cold Metal Transfer (CMT) est envisagé comme un moyen de réparation additive pour les pièces de grandes dimensions. Cette technologie offre un taux de dépôt élevé avec un apport de chaleur réduit en raison du transfert de matière en régime de court-circuit. Son utilisation permettrait de réduire considérablement les temps d’opération liés à la maintenance, réparation et révision (MRO). Le Waspaloy, superalliage base Ni polycristallin durci par précipitation γ', est communément utilisé dans les parties chaudes des turboréacteurs. Il est, toutefois, considéré marginalement soudable en raison de sa forte teneur en aluminium et en titane. Cette particularité mène à un manque de données dans la littérature scientifique sur ce couple matériau/procédé. Ces travaux de thèse, menés à l’Institut P’ et en collaboration avec le site de MRO de Safran Aircraft Engines (Châtellerault), ont été dédiés à l’étude du Waspaloy CMT. Le premier axe d’analyse a été la caractérisation, à la fois microstructurale et mécanique, du matériau à l’état brut de fabrication. La structure granulaire et dendritique est présentée, de même que la précipitation γ' hétérogène entre les cœurs de dendrite et les espaces interdendritiques. La ségrégation chimique qui en est responsable est mise en évidence, et les propriétés mécaniques monotones, en traction et en fluage jusqu’à 850 °C, sont évaluées. Ensuite, avec l’intention d’optimiser la microstructure hétérogène par un traitement thermique post-soudage différent de celui préconisé pour le matériau forgé, un deuxième axe s’est dégagé autour de la stabilité thermique du Waspaloy CMT. Le grossissement des précipités γ' et les cinétiques de vieillissement sont approchés par la théorie de Lifshitz-Slyozov-Wagner. La formation de phases secondaires est observée, avec l’identification de carbures M23C6 par leur nature chimique et cristalline. Des diagrammes temps-température-transformation expérimentaux sont établis. La question de l’équilibre thermodynamique est abordée par l’application d’un revenu long, et numériquement par des simulations Thermo-Calc®. L’effet du traitement thermique de revenu sur le comportement en traction et en fluage est étudié, en comparaison avec le Waspaloy CMT brut de fabrication et le matériau forgé de référence. Les liens entre les propriétés obtenues et les évolutions microstructurales sont mis en lumière. L’investigation de la tenue mécanique de l’interface entre le substrat forgé et le rechargement CMT s’est également imposée
Cold Metal Transfer (CMT), a wire arc welding process, is being contemplated as a means of additive repair for large aeronautical components. This technology offers a high deposition rate with reduced heat input due to short-circuit material transfer. Its use would considerably reduce maintenance, repair and overhaul (MRO) times. Waspaloy, a γ' precipitation-hardened polycrystalline Ni-based superalloy, is commonly used in the hot sections of jet engines. It is, however, considered marginally weldable due to its high aluminum and titanium content. This particularity leads to a lack of data in the scientific literature on this material/process pair. This thesis work, carried out at the Institut P' and in collaboration with the MRO center of Safran Aircraft Engines (Châtellerault), was dedicated to the study of CMT Waspaloy. The first axis of analysis was the characterization, both microstructural and mechanical, of the material in its as-built state. The granular and dendritic structure is presented, as is the heterogeneous γ' precipitation between dendrite cores and interdendritic spaces. The chemical segregation responsible for this is highlighted, and the monotonic mechanical properties up to 850°C, through both tensile and creep testing, are evaluated. Then, with the intention of optimizing the out-of-equilibrium microstructure by a post-weld heat treatment different from that recommended for the wrought material, a second focus emerged around the thermal stability of CMT Waspaloy. γ' precipitation coarsening and aging kinetics are approximated using the Lifshitz-Slyozov-Wagner theory. The formation of secondary phases is observed, with the identification of M23C6 carbides by their chemical and crystalline nature. Experimental time-temperature-transformation diagrams are established. The question of thermodynamic equilibrium is addressed through the application of a long ageing heat treatment, and numerically through Thermo-Calc® simulations. The effect of ageing on tensile and creep behavior is investigated, in comparison with as-built CMT Waspaloy and the reference wrought material. The links between the resulting properties and microstructural evolutions are highlighted. The mechanical strength of the interface between the wrought substrate and the CMT refurbishment is also investigated

Les revêtements barrières thermiques sont de plus en plus employés dans l'industrie afm d'accroître lesperformances thermiques et de diminuer les émissions de NOx des turbines aéronautiques et de générationd'électricité. Au cours de cette étude, le système constitué d'un substrat en superalliage base nickelmono cristallin AMI, d'une sous-couche NiAlPt et d'une barrière thermique en zircone yttriée élaborée par voieEBPVD (Electron Bearn Phase Vapor Deposition) a été étudié. Le but de cette thèse était de caractériser lesmodes d'endommagements en conditions représentatives de celles rencontrées en service sur le profil des aubesde turbines hautes pressions. Pour pallier au manque de données dans la littérature ouverte, des essais à différentsniveaux de température et de chargement mécanique ont été réalisés avec pour objectif de découpler les diversmodes d'endommagement qui entrent en jeu dans la ruine des barrières thermiques. Ces essais mécaniques detype fluage isotherme, fluage cyclé thermiquement, fatigue oligocyclique et fatigue avec temps de maintien ontété réalisés dans la gamme de température 950°C-1200°C avec des moyens d'essais classiques de laboratoire. Ilsont permis de mettre en évidence l'impact du chargement mécanique sur la cinétique de croissance de la couched'alumine inter faciale à llOO°C(notamment en fluage) mais aussi le délaminage à l'interface sous-coucheinterne/sous-couche externe en conditions de forte vitesse de déformation viscoplastique du substrat et le rôlemajeur de l'interdiffusion entre sous-couche et substrat sur la durée de vie en fatigue oligocyclique à 950°C. Desessais technologiques ont aussi été réalisés sur le banc MAATRE
Thermal barrier coatings are widely used in the industry to enhance thermal performances and to decrease NOxemissions of aeronautic gas and electricity generating turbines. During this study, the system consisting of asingle crystal nickel based superalloy AMI (substrate), of a NiAIPt bondcoat and an yttria-stabilized zirconiatopcoat made by columnar EBPVD (Electron Bearn Phase Vapor Deposition) was studied. The aim ofthis thesiswas to characterize the damage mechanisms in conditions representative of those encountered in service on theprofile of high pressure turbine blades. To overcome the lack of data in the open literature, tests at differentlevels oftemperature and mechanicalloading has been made with the aim to decouple the various damage modesthat are involved in degradation of thermal barrier coatings. Thermomechanical testings such as isothermal creeptests, thermally cycled creep tests, low cycle fatigue with or without holding time have been made in thetemperature range 950°C-1200°C with conventional laboratory testing methods. They allowed to demonstratethe impact of the mechanical loading on the oxidation kinetics of the thermally grown oxide at IIOO°C(particularly during creep tests) but also a new delamination mode in the bond coat (near process defaults) in caseof high viscoplastic deformation rate of the substrate and the major role of interdiffusion between bondcoat andsubstrate on the low cyclic fatigue lifetime at 950°C. Finally, technological testings have also been realized onthe MAA TRE test bench

L'anisotropie de comportement mécanique du superalliage à solidification dirigée DS200+Hf et les mécanismes d'endommagement ont été étudiés entre 650°C et 1100°C. Des échantillons monogranulaires du même alliage ont été employés afin de mieux comprendre l'anisotropie de propriétés mécaniques et de durabilité. Des essais de traction, fluage, fatigue oligocylique, fatigue-fluage et de fissuration ont été réalisés, suivis d'observations au MEB afin d'analyser les modes d1endommagement.A 650°C, une forte anisotropie de durée de vie en fluage (et en fatigue) est observée alors que l'anisotropie est quasi inexistante à 1100°C en fluage. Ceci résulte de la mise en radeaux de la phase γ à haute température qui homogénéise la déformation, dégradation qui conduit à une augmentation de la vitesse de déformation en fatigue avec temps de maintien. Un amorçage intergranulaire a été observé pour tous les essais mécaniques en sens travers, notamment de par la présence de nombreux carbures aux joints des grains. Ces carbures sont les principaux sites d'amorçage de fissure de fatigue à 650°C et 900°C. A haute température (900°C), l'oxydation affecte non seulement l'amorçage en favorisant la fissuration des carbures de surface, mais elle affecte également la phase de propagation, via un processus combiné d'appauvrissement de la phase γ et d'émoussement de la pointe de fissure, le tout conduisant à un seuil de fissuration plus élevé. Sous vide, un tel processus n'est pas observé et les carbures ne sont plus les sites d'amorçage privilégiés. Lors de sollicitation de fluage en sens travers à basse température (750°C), les joints de grains fortement désorientés, avec un grain dans leur voisinage favorablement orienté pour le glissement simple et apte à la rotation cristalline, sont les plus critiques
The anisotropy in mechanical behavior of the directionally solidified DS200+Hf alloy and the damage mechanisms have been investigated between 650°C and1100°C. Single-crystalline specimens of the same alloy have also been used to get a better understanding of the anisotropy in mechanical properties and durability. Tension, creep, low-cycle fatigue (LCF), dwell-fatigue and crack propagation tests have been performed and analyzed by SEM observations to better understand the damage modes in this alloy. At 650°C, a considerable creep (and LCF) life anisotropy is observed while almost no anisotropy remains at 1100°C in creep. The γ rafting is mainly responsible for this decrease in creep anisotropy and for theincrease in creep rate in dwell-fatigue. An intergranular fracture mode has been observed for ail kind of solicitation along transverse direction, mainly due to the presence of grain boundary particles such as carbides. These carbides are also the main crack initiation sites in LCF at 650°C and at 900°C. At high temperature (900°C), oxidation not only controls the crack initiation mechanisms by inducing surface carbides cracking, but it also affects the crack propagation through a combined localized γ depletion and crack tip blunting, leading ove ra li to a higher crack propagation threshold. Such a behavior is not observed in high vacuum and surface carbides are no more the main crack initiation sites. lt is shown that at low temperature during transverse creep testing (750°C), highly misoriented grain boundaries, having one grain favorably oriented for single slip and lattice rotation, are the most critical ones