Thèses sur le sujet « Alliages réfractaires – Fissuration »

Etude du comportement en atmosphere oxydante du superalliage base nickel inconel 718. Influence des precipites de carbures de niobium et de phase delta (ni::(3)nb) sur l'oxydation. Resultats experimentaux: cinetiques d'oxydation, morphologie et composition des produits formes, interpretation. Proposition d'un modele permettant d'expliquer la sensibilite de l'inconel 718 a la fissuration a chaud

The aim of this study was to model the behaviour of superalloys for vanes in jet engines. The model was based on thermal fatigue (TF) and high temperature low cycle fatigue (HTLCF) experiments carried out on a cast cobalt superalloy MAR-M509. The temperature-stress-strain history of critical elements at the thin edge of wedge shaped TF specimens was computed. The influence of the specimen geometry and the maximum temperature of the thermal cycle were studied. The strain rates (frequency range from 10-3 to 20Hz), the tensile or the compressive hold times and the environmental effects were studied in HTLCF. Fatigue oxidation interaction was the basic mechanism of crack initiation and propagation for both types of loading. Crack initiation was seen to occur early in the life time in TF and HTLCF. The accumulated and the cyclic creep damage and the "strain range partitioning" models were applied to predict the TF and the HTLCF life times to initiation. Ail models were shown to predict HTLCF experimental data within a factor of about three. However, the accumulated and the cyclic creep damage models overestimated thermal fatigue life time in all cases. A model which describes the fatigue oxidation crack growth interaction was applied to TF and HTLCF data. This model gave a good prediction of HTLCF and especially TF life time. A new model of life prediction, which takes into account the fatigue oxidation interaction, is proposed. This model is based on the local stress rupture reduction by oxygen diffusion ahead of the crack and the load ratio (R=PminPmax) is considered. Local stresses ahead of the crack are estimated from Tracey's finite element analysis of the plane strain small scale yielding hypothesis which is adapted to the cyclic loading situation using Rice's hypothesis. A fairly good prediction of TF and HTLCF life time was obtained. This model predicts the crack propagation within a few millimeters and gives good prediction of the slowdown of the crack observed experimentally in thermal fatigue.

L'objet de l'etude est de proposer un modele phenomenologique de l'endommagement des superalliages a base de nickel par l'oxydation, conduisant a une degradation de leurs proprietes de fissuration en fatigue a 650c. En s'appuyant largement sur la microscopie electronique en transmission analytique, les mecanismes d'oxydation statique et en particulier le stade de germination sont etudies. L'influence de la composition chimique, de la microstructure, de la pression d'oxygene et d'une predeformation mecanique sur ce premier stade du processus d'oxydation est discutee. Des essais de propagation de fissures sous differentes pressions d'oxygene, dans l'alliage 718, montrent l'existence d'une pression de transition delimitant deux regimes de propagation lies aux modes d'oxydation. Une relation est etablie entre ces deux regimes et la nature des premiers germes formes. Cette pression de transition ne depend pas des conditions de sollicitation, frequence et chargement, mais de la teneur en chrome du materiau. Des essais superposant un creneau de pression a un cycle de chargement mecanique en fatigue lente ou fatigue-fluage permettent de preciser le mode d'endommagement par l'oxydation. La propagation de la fissure se fait de facon continue, indiquant qu'il n'y a pas developpement d'une couche d'oxyde ou de fragilisation a longue distance. Ces essais indiquent aussi les phases du cycle pendant lesquelles l'oxydation a un effet endommageant. Il s'agit de la fraction du cycle ou la vitesse de deformation en pointe de fissure est positive. Son importance depend de l'aptitude du materiau a relaxer rapidement la contrainte. Un modele de fragilisation est propose, base sur la formation en pointe de fissure de germes de nio pendant certaines parties du cycle de sollicitation. Des modifications chimiques et microstructurales de ces alliages sont preconisees, permettant d'ameliorer leur resistance a la fissuration

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.

Les superalliages à base de nickel durcis par précipitation γ' et notamment l'Inconel 738 LC (IN738LC), sont des matériaux largement utilisés dans les parties chaudes de turbomoteurs d'avions et d'hélicoptères. Ces matériaux disposent d'excellentes propriétés mécaniques à haute température. Toutefois, des défauts ou des fissures peuvent apparaitre sur ces pièces, lors de leur élaboration par fonderie ou bien pendant leur durée en service, ce qui nécessite leur réparation. Cependant, les pièces constituées en IN738LC sont sujettes à de la fissuration au cours des procédés de réparation de type soudage. Il s'avère que le rechargement laser est une technique de fabrication additive prometteuse permettant de réparer des pièces abimées. Le présent travail consiste en l'étude de la réparabilité par projection de poudre de l'alliage IN738LC réputé non soudable. Cette étude comporte deux volets expérimentaux et numériques du rechargement de pièces en Inconel 738 LC au moyen du procédé CLAD. Pour cela, nous avons réalisé des essais de rechargement suivant plusieurs configurations illustrant les cas de réparations rencontrés industriellement. Deux mécanismes de fissuration distincts sont mis en évidence respectivement dans la zone affectée thermiquement du substrat et dans le dépôt. Une simulation multi-physique est également développée pour rendre compte des phénomènes thermiques, mécaniques et métallurgiques observés lors du rechargement laser. Ces simulations sont comparées à des mesures expérimentales pour validation. Enfin, ces outils de simulation sont utilisés afin de définir des critères numériques de risque de fissuration. En résumé, un préchauffage à haute température permet d'éliminer le risque de liquation et donc de fissures dans la ZAT ainsi que dans les dépôts, ce qui démontre qu'il est possible d'envisager une réparation sur cet alliage réputé non soudable
Y' hardened nickel-based superalloys, such as Inconel 738 LC (IN738LC), are materials which are extensively used in hot sections parts of helicopter and aircraft engines. Those materials exhibit enhanced mechanical properties at high temperature. Nevertheless, cracking and several defects can occur on these parts during casting or during their service life. However, welding type repairing processes can lead to considerable cracking of IN738LC superalloy. It appears that laser cladding is a promising additive manufacturing technology which allows the repair of damaged parts. The present work main objective is aimed at investigating Inconel 738 LC repair by laser cladding. Both experimental and numerical aspects are studied for the repair of IN738LC by means of the CLAD process. Experimental laser clad deposits are produced under several configurations following industrial cases. Two distinct cracking mechanisms are identified in the heat-affected zone and within the deposit, respectively. A multi-physics simulation of laser cladding is developed in order to take into account thermal, mechanical and metallurgical phenomena. Simulation is compared to experimental measurements for validation. Finally, these numerical tools are used to define cracking risk criteria. In summary, a high preheating of the samples allows to suppress liquation and HAZ cracking, but also to obtain un-cracked deposit, which indicates that the repair of non-weldable alloys is possible

Dans le cas de tôles aéronautiques en TA6V, le procédé de formage superplastique (SPF) est mis en œuvre à des températures voisines de 900°C. Les outillages de formage réalisés en aciers réfractaires moulés, sont soumis à des contraintes thermomécaniques très sévères susceptibles de provoquer leur endommagement. L'objectif de l'étude est de sélectionner des procédés de rechargement et de soudage utilisés pour réparer ces outillages et de caractériser les rechargements d'un point de vue microstructural et mécanique. Les paramètres de soudage et de remplissage sont optimisés afin de garantir la meilleure qualité des rechargements réalisés. L'influence des paramètres liés au procédé de rechargement et aux matériaux utilisés, sur la propension des aciers moulés à fissurer en cours de soudage, est étudiée. Ces analyses sont conduites d'une manière qualitative sur des macrographies en coupe et quantitative en utilisant la technique de traitement d'images. Pour des rechargements de fortes profondeurs, les techniques de refusion de surface et de beurrage ont été développées. Les performances mécaniques des structures réparées sont évaluées par des essais de fatigue oligocyclique. Le comportement mécanique des éprouvettes rechargées est également analysé à l'aide de la simulation numérique
Superplastic forming (SPF) of TA6V aeronautical sheets is performed at temperatures close to 900°C. Forming tools, manufactured with heat resistant cast steels, are exposed to highly severe thermomechanical stress likely to cause their damage. The purpose of this study is to develop weld repair techniques for SPF dies and to characterize the weld joints using microstructural investigations and mechanical testing. The parameters of welding and filling are optimized in order to guarantee the best quality of the welded zone. The influence that parameters related to the weld repair process and the materials used, have on the propensity of the cast steels to crack during welding, is investigated. These analyses are performed on the macrographs of the welded zone and also using image analysis technique. For the very deep groove, two weld repair techniques are developed, the surface remelting of the material and the buttering. The mechanical performances of the repaired structures are evaluated using low cycle fatigue tests. The mechanical behaviour of the weld repair joints is also investigated using numerical simulation

Dans le contexte actuel, les enjeux environnementaux mettent au défi les motoristes en imposant une réduction importante des émissions de CO2 et de NOx. Ceci a entraîné le développement de superalliages base nickel γ/γ′ afin d'assurer de bonnes propriétés mécaniques en traction, en fatigue et en oxydation des disques de turbine. L’AD730TM a été élaboré pour des applications jusqu’à 700°C et les mécanismes d’amorçage et de propagation de fissures doivent être étudiées.Les inclusions non métalliques sont des éléments microstructuraux fragiles et sensibles à l’oxydation. Ils peuvent agir comme des sites de concentrations de contraintes importants et être à l’origine d’un amorçage de fissure. Des campagnes de fatigue oligocyclique menées à450°C et 700°C ont permis de déterminer les conditions d’essais favorisant un amorçage de fissure sur ces inclusions. Les faciès de rupture ont révélés que les inclusions sont à l’origine de la rupture des éprouvettes quand les effets de l’environnement sont limités et que le taux de déformation ou de contrainte appliqué est relativement élevé.Afin de mieux comprendre les paramètres favorisant la fissuration des inclusions, des essais d’oxydation statiques et des essais de traction in situ dans la chambre d’un MEB ont été réalisés. Ils ont notamment permis de mettre en évidence l’expansion volumique importante et la fissuration des oxydes de niobium ainsi que de déterminer un seuil de contrainte de fissuration des inclusions. Afin de compléter les essais de fatigue, des essais de fissuration ont été effectués pour estimer la durée passée en amorçage de fissure en fonction de la température et du taux de contrainte appliqué. Cette durée s’est révélée être courte lors d’un amorçage de fissure sur inclusions
Nowadays, original engine makers are challenged by the environmental requirements imposing drastic decrease of CO2 and NOx emissions. It leads to the development of γ/γ′ nickel-based superalloys to ensure good tensile and fatigue properties and a good oxidation behavior of turbine discs. AD730TM was elaborated for applications up to 700°C and the crack initiation and propagation mechanisms this alloy need to be investigated. Non-metallic inclusions are brittle elements that are sensitive to oxidation. They can act as stress concentration sites and can lead to crack initiation. Low cycle fatigue tests were performed at 450°C and 700°C to determine the tests conditions promoting a crack initiation from such inclusions. Fractographic analyzes revealed that inclusions lead to the specimen fracture when the environmental effects are limited and at high strain or stress ranges.In order to better understand the parameters promoting inclusions cracking, oxidation and in situ tensile tests in a SEM chamber were performed. They highlighted an important volume expansion and the cracking of niobium oxides. A stress threshold necessary to crack inclusions was also determined. To improve the fatigue tests understanding, crack propagation tests were carried out to estimate the crack initiation time according to the temperature and the stress range applied. This crack initiation time is shorter when the cracks initiate within inclusions

Les superalliages à base de nickel durcis par précipitation γ' et notamment l'Inconel 738 LC (IN738LC), sont des matériaux largement utilisés dans les parties chaudes de turbomoteurs d'avions et d'hélicoptères. Ces matériaux disposent d'excellentes propriétés mécaniques à haute température. Toutefois, des défauts ou des fissures peuvent apparaitre sur ces pièces, lors de leur élaboration par fonderie ou bien pendant leur durée en service, ce qui nécessite leur réparation. Cependant, les pièces constituées en IN738LC sont sujettes à de la fissuration au cours des procédés de réparation de type soudage. Il s'avère que le rechargement laser est une technique de fabrication additive prometteuse permettant de réparer des pièces abimées. Le présent travail consiste en l'étude de la réparabilité par projection de poudre de l'alliage IN738LC réputé non soudable. Cette étude comporte deux volets expérimentaux et numériques du rechargement de pièces en Inconel 738 LC au moyen du procédé CLAD. Pour cela, nous avons réalisé des essais de rechargement suivant plusieurs configurations illustrant les cas de réparations rencontrés industriellement. Deux mécanismes de fissuration distincts sont mis en évidence respectivement dans la zone affectée thermiquement du substrat et dans le dépôt. Une simulation multi-physique est également développée pour rendre compte des phénomènes thermiques, mécaniques et métallurgiques observés lors du rechargement laser. Ces simulations sont comparées à des mesures expérimentales pour validation. Enfin, ces outils de simulation sont utilisés afin de définir des critères numériques de risque de fissuration. En résumé, un préchauffage à haute température permet d'éliminer le risque de liquation et donc de fissures dans la ZAT ainsi que dans les dépôts, ce qui démontre qu'il est possible d'envisager une réparation sur cet alliage réputé non soudable
Y' hardened nickel-based superalloys, such as Inconel 738 LC (IN738LC), are materials which are extensively used in hot sections parts of helicopter and aircraft engines. Those materials exhibit enhanced mechanical properties at high temperature. Nevertheless, cracking and several defects can occur on these parts during casting or during their service life. However, welding type repairing processes can lead to considerable cracking of IN738LC superalloy. It appears that laser cladding is a promising additive manufacturing technology which allows the repair of damaged parts. The present work main objective is aimed at investigating Inconel 738 LC repair by laser cladding. Both experimental and numerical aspects are studied for the repair of IN738LC by means of the CLAD process. Experimental laser clad deposits are produced under several configurations following industrial cases. Two distinct cracking mechanisms are identified in the heat-affected zone and within the deposit, respectively. A multi-physics simulation of laser cladding is developed in order to take into account thermal, mechanical and metallurgical phenomena. Simulation is compared to experimental measurements for validation. Finally, these numerical tools are used to define cracking risk criteria. In summary, a high preheating of the samples allows to suppress liquation and HAZ cracking, but also to obtain un-cracked deposit, which indicates that the repair of non-weldable alloys is possible

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

L’objectif de cette étude repose sur un contexte industriel, dans lequel, des échangeurs de chaleur à haute pression, composés de plaques et d’ondes en acier inoxydable austénitique 316L, sont brasés avec un alliage Ni-Cr-Fe-Si (BNi-5), puis soumis à un procédé de soudage multipasse TIG (Tungsten Inert Gas), avec un métal d’apport en superalliage de nickel Inconel 625. Due à leur microstructure et composition chimique hétérogène, la rupture des joints brasés peut survenir pendant les opérations de soudage. Dans un premier temps, des études microstructurale et chimique sont réalisées à l’interface de liaison entre le métal de base, les joints brasés et les cordons de soudure, afin de comprendre les phénomènes liés à l’origine de la rupture. Les résultats montrent qu’un cycle de brasage favorisant la formation d’un joint brasé monophasé de γ-Ni, permet d’éviter la rupture des joints brasés pendant le soudage. Cependant, la présence de Si intergranulaire peut impliquer la formation de micro-fissures à chaud dans les joints brasés contenus dans la ZAT. L’étude du GOS (Grain Orientation Spread) au travers des mesures EBSD, a également permis de quantifier la magnitude de la déformation plastique dans la ZAT, induite par le procédé de soudage. Une énergie de soudage inférieure à 1100 J/mm limite la déformation plastique des assemblages brasés. Des essais de nanoindentation et de traction sont également réalisés à température ambiante afin de déterminer les propriétés mécaniques des assemblages brasés. Les résultats des essais de traction montrent que la rupture survient dans le 316L, lorsque les joints brasés sont monophasés γ-Ni. Dans un second temps, une loi de comportement originale thermodynamiquement consistante, dédiée aux applications de soudage, est présentée pour décrire le phénomène de restauration de l’écrouissage dans les métaux pendant un traitement thermique de recuit. Les équations constitutives sont basées sur une formulation thermo-élasto-plastique classique, et améliorées par l’ajout d’une nouvelle variable interne qui contrebalance l’effet de l’écrouissage à travers une loi d’évolution dépendante de la température. La loi de comportement est implémentée dans un solveur EF ABAQUS/Standard à l’aide d’une subroutine utilisateur (UMAT). L’identification des paramètres du modèle est obtenue à l’aide d’essais de compression et de traitements thermiques sur un acier inoxydable austénitique 316L. De plus, des mesures de contraintes résiduelles sont effectuées sur une plaque soudée et comparées aux valeurs calculées par simulation numérique, afin d’évaluer les capacités du modèle. Les valeurs obtenues numériquement sont en adéquation avec les valeurs expérimentales. Enfin, des simulations tridimensionnelles du soudage multipasse sont réalisées dans le but d’estimer les champs de contrainte et de déformation lors du soudage TIG d’un échangeur de chaleur. Les contraintes maximales se développant dans la ZAT pendant le soudage peuvent atteindre 600 MPa, dès le refroidissement de la première passe. Ainsi, les résultats numériques sont en accord avec les observations expérimentales, qui indiquent qu’en cas de rupture des joints brasés lors du soudage, celle-ci apparait lors des premières passes, au cours du refroidissement
The aim of the study relies on an industrial context, in which, high pressure Plate Fin Heat Exchangers (PFHE) made of austenitic stainless steel 316L, are brazed with Ni-Cr-Fe-Si (BNi-5) alloy, then followed by dissimilar multipass TIG (Tungsten Inert Gas) welding process with nickel-based superalloy Inconel 625, used as filler metal. Due to their heterogeneous microstructure and chemical composition, fractures of brazed joints may appear during the welding of brazed assembly. Firstly, microstructural and chemical characterizations are made at the bonding interface between base metal, brazed joints and weld beads, to understand the fracture phenomena. Results show that a brazing cycle promoting the formation of γ-Ni single phase brazed joints, allows avoiding the fracture of brazed joints during welding. However, intergranular Si may involve the formation of hot cracks in brazed joints located in HAZ. The study of GOS (Grain Orientation Spread) through EBSD measurements, allows quantifying the magnitude and spatial distribution of plastic deformation in the HAZ after welding. A welding energy under 1100 J/mm limits the plastic deformation of brazed assemblies. Nanoindentation and tensile tests are also carried out at room temperature to determine the mechanical properties of brazed assembly. The results of tensile tests show that fracture occurs in the 316L, when brazed joints are formed by a γ-Ni single phase. Secondly, an original thermodynamically consistent modeling approach, dedicated to welding applications, is presented to describe the phenomenon of hardening recovery in metals during annealing heat treatment. The constitutive equations are based on a classical thermo-elasto-plastic formulation which is enhanced by a new recovery variable counterbalancing the effect of the hardening through a temperature-dependent evolution law. The model is implemented into the FE solver ABAQUS/Standard with the help of a User Material subroutine (UMAT). The identification of the model parameters is achieved through experimental compressive tests and heat treatments on 316L austenitic stainless steel. In addition, to evaluate the capabilities of the model, residual stress measurements are carried out on a welded plate and compared to values computed by numerical simulation. The obtained values match the experimental measurements. Finally, three-dimensional simulations of multipass welding are realized to estimate the stress and deformation fields during TIG welding process of a heat exchanger. The maximum stress in HAZ may reach 600 MPa during the cooling of the first welding pass. Thus, the results of numerical simulation are in agreements with the experimental observations, indicating that in case of fracture of brazed joints during welding, the fracture occurs from the cooling of the first passes

Cette étude s’est focalisée sur la compréhension des mécanismes de déformation et d’endommagementd’un superalliage à base de Nickel (Udimet 720Li) utilisé pour la confection de disques de turbine hautepression soumis à des sollicitations monotones et cycliques à des températures inférieures à 500 °C.L’amorçage de fissures de fatigue à 20 °C et 465 °C a été systématiquement observé suivant des facettescristallographiques pour différents états métallurgiques. Une étude quantitative des traces de glissementplastique en surface a permis de montrer que cet endommagement est la conséquence d’une nontransmission de la déformation plastique entre grains voisins. Plus précisément, un mécanisme de rotationcristalline localisée au sein de micro-volumes à l’extrémité de bandes de glissement dans le grain voisin aété identifié à l’origine des fissures.Les configurations cristallographiques favorisant ce processus impliquent notamment les relations entresystèmes de glissement de part et d’autre du joint de grains (angle de TWIST), ou encore la présence d’uneprécipitation fine participant au confinement des bandes de glissement
This study contributes to the understanding of the deformation and damage mechanisms in a Nickelbasedsuperalloy (the Udimet 720Li) used for the manufacturing of aeroengines high pressure turbinedisks submitted to monotonic and cyclic loadings at temperatures below 500 °C under service conditions.Fatigue crack initiation at 20 °C and 465 °C was systematically observed at large crystallographic facetswhatever the microstructure. An extensive quantitative study of the slip activity at the surface showed thatcrack initiation results from a difficult slip transmission between neighbouring grains. In more details, alocalized crystallographic rotation confined in micro-volumes detected at the tip of slip bands interactingwith the grain boundary were identified to trigger crack initiation.The crystallographic configurations favouring such a process are closely related to the TWIST anglebetween active slip systems on each side of the grain boundary and to a dense and fine precipitationconfining the plasticity.Mots-clés

Les motoristes aéronautiques doivent constamment répondre à de nouvelles exigences de certification en tolérance aux dommages. Ainsi ils doivent désormais démontrer que la présence d’anomalies de surface introduites lors d’opérations de maintenance ne mène pas à la rupture des pièces les plus critiques. Cette étude concerne donc la caractérisation de la nocivité en fatigue d’anomalies de surface de type choc, en présence d’un gradient de contrainte avec de la plasticité localisée du superalliage à base Nickel Inconel 718 Direct Aged. Une étude expérimentale et numérique approfondie de la méthode de suivi de la différence de potentiel a conduit à une bonne maîtrise de cet outil de détection de l’amorçage et de suivi de la fissuration en gradient de contrainte avec plasticité. En particulier, la méthode a été améliorée grâce à la prise en compte de la variation de conductivité due à la plasticité et à une nouvelle stratégie de suivi. Cette dernière utilise deux marquages thermiques afin d’augmenter la précision et de réduire la dispersion des mesures. Différents types d’anomalie ont par ailleurs été considérés afin d’évaluer l’influence respective de la géométrie et des contraintes résiduelles des anomalies en lien avec la présence d’un gradient de contrainte macroscopique sur la propagation de fissures. Il a ainsi été montré que l’amorçage de fissure est lent pour les anomalies engendrées par polissage et usinage FIB en comparaison des anomalies produites par électro-érosion et des chocs, de par leurs géométries et leurs contraintes résiduelles générées par plasticité lors de leur création. En outre, bien que leur amorçage soit rapide, les fissures émanant des anomalies de type choc présentent des vitesses de propagation ralenties par ces contraintes résiduelles dans les premiers stades de fissuration Parallèlement, une évolution particulière de la forme du front de ces fissures, notamment en forme de champignon, a été mise en évidence à l’aide de marquages thermiques. Différentes méthodes ont été mises en œuvre pour quantifier les durées de vie en fatigue ainsi que caractériser la morphologie des fronts de fissure. Il est ainsi montré que le facteur de forme de la fissure dépend, entre autre, de la contrainte maximale et du rapport de charge et que la propagation peut être ralentie en surface proche du bord de l’anomalie, par effet de concentration de contrainte. Enfin, la mise en œuvre de différentes stratégies de simulation offre une explication sur l’origine de la forme de champignon
Aircraft engine manufacturers have to meet with new certification requirements in damage tolerance. Thus they have to demonstrate that the presence of surface anomalies introduced during maintenance operations in critical areas does not lead to failure during service life. This study was undertaken in this framework to characterize the harmfulness of dent-type surface anomalies in a stress gradient with local plasticity, on the fatigue life of the Direct Aged Inconel 718Nickel based superalloy. A detailed experimental and numerical study have been conducted for a better control of the direct current potential drop (DCPD) technique used to monitor the crack initiation and the crack depth measurement in a stress gradient with plasticity. The method was improved in particular by taking into account the conductivity variation induced by plasticity and a new approach of the DCPD post-treatment, using two heats tints during propagation, was proposed. This method has a higher accuracy and reproducibility than without the use of heat tint on the crack measurement. Meanwhile different types of anomalies have been used to assess the respective influence of geometry and residual stress in relation with the presence of a macroscopic stress gradient on crack growth. It was thus shown that crack initiation is slow in the case of polished and FIB anomalies in comparison to EDM and indent anomalies, because of their geometry and residual stresses. Despite a fast crack initiation, the dent-type anomaly presents a reduced crack growth rate during the initial propagation stage because of the residual stresses. Furthermore, a singular crack shape was evidenced in that case by means of heat tinting, with a shape of mushroom. Different methods have been implemented to quantify service life and predict crack front shape. This study has shown that the shape factor is dependent, among others, of the applied maximal stress and of the stress ratio, and that crack growth rate can be slowed down near the anomaly edge by a stress concentrator effect. Finally, different simulation strategies provide some explanation about the origin of the mushroom shape of the crack front

Les motoristes aéronautiques doivent répondre à de nouvelles demandes de certifications en tolérance aux dommages. Ils doivent en particulier démontrer que la présence de petites anomalies de surface, pouvant être introduites lors d’opérations de maintenance, ne mène pas à la rupture des pièces les plus critiques de leurs moteurs. Cette étude concerne la caractérisation de la nocivité d’anomalies de surface de type rayure et choc sur la tenue en fatigue du superalliage à base Nickel Inconel 718 sous sa version Direct Aged. Une campagne d’essais expérimentaux a permis d’évaluer l’influence de la contrainte maximale, de la température, du type et de la profondeur des anomalies de surface sur leur durée de vie en fatigue. Une étude expérimentale et numérique approfondie de la méthode de suivi de la différence de potentiel a conduit à une bonne maîtrise de cet outil de détection de l’amorçage et de suivi de la fissuration. Son utilisation a ainsi révélé que l’amorçage de fissure est très rapide à partir de rayures et de chocs mais que la vitesse de propagation dans les premiers stades de fissuration est ralentie. Des essais spécifiques ont alors été développés pour identifier la source physique des phénomènes observés. L’utilisation d’un traitement thermique a notamment permis de mettre en avant l’influence prédominante des contraintes résiduelles de compression générées lors de l’introduction des anomalies. Différentes méthodes expérimentales et numériques ont été testées pour les quantifier et des pistes de modélisations ont été mises en avant pour prédire de manière fiable la durée de vie en fatigue d’anomalies de surface de type rayure et choc
Aircraft engine manufacturers have to meet with new certification requirements in damage tolerance. In particular they have to demonstrate that the presence of small surface anomalies introduced on engine parts during maintenance operations in critical areas do not lead to failure during service life. This study was undertaken to characterize the harmfulness of scratch and dent type surface anomalies on the fatigue life of the Nickel based superalloy Direct Aged Inconel 718.The influence of maximal stress, temperature, type and depth of surface anomalies was evaluated in a large series of experiments. An experimental and numerical in-depth study of the potential drop technique led to a good control of this tool and allowed to efficiently detect crack initiation and to measure the crack propagation. Indeed, the use of this technique has revealed that the crack initiation from scratches and dents is very rapid but that the first stages of crack growth are delayed.Specific tests were then performed to identify the physical origin of the observed phenomenon. A heat treatment was used to show that the compressive residual stresses created during the introduction process of surface anomalies have a great influence on the fatigue life. Different experimental and numerical techniques were used to quantify these residual stresses and some directions were identified to establish a new model able to predict the fatigue life of scratch and dent type surface anomalies

Les motoristes aéronautiques doivent désormais montrer que la présence de petites anomalies de surface, pouvant être introduites lors d’opérations de maintenance, ne mènent pas à la rupture des pièces, et ce sur toute la durée de vie du moteur. Cette étude concerne la caractérisation de la nocivité d’anomalies de surface de type rayure et choc sur la tenue en fatigue du superalliage à base nickel René 65.Afin de découpler les effets de géométrie des effets de contraintes résiduelles, les rayures et les chocs possèdent un profil géométrique identique en V. Une technique de suivi de potentiel 3 points a été mise en place dans le but d’améliorer la détection de l’amorçage et d’avoir une information sur la morphologie du front de fissure. Les résultats expérimentaux montrent un amorçage rapide et un fort ralentissement de la vitesse de propagation dans les premiers stades. Nous avons également observé, par le biais de marquages thermiques, une évolution particulière de la forme du front de fissure s’amorçant au fond des rayures.L’utilisation de traitement thermique de relaxation a alors montré que c’est le champ mécanique hétérogène créé lors de la fabrication de ces anomalies qui contrôle la durée de vie et que c’est le paramètre physique d’ordre un à modéliser.Une stratégie de modélisation de la propagation de fissures à partir d’anomalies de type choc a été proposée. Celle-ci est basée sur la connaissance du champ de contraintes résiduelles par des simulations numériques, et sur l’application de ce champ dans un modèle numérique de propagation. Les résultats ont permis de confirmer que les contraintes résiduelles étaient bien la source du ralentissement de la propagation et également responsables de l’évolution de la forme du front de fissure. Ils ont également permis d’identifier les paramètres qui doivent être mesurés lors des contrôles non destructifs
Anomalies, introduced during maintenance operations, are not critical for in-service life of a component. This study was undertaken to characterise the harmfulness of scratch and dent anomalies on the fatigue behaviour of the nickel based superalloy René 65.In order to separate the effects of the geometry and the residual stresses, scratches and dents have the same V-type profile. A 3 points DCPD method has been used to improve the detection of the initiation and also to have information about the crack front morphology. Experimental results showed that the initiation fatigue life is short and a slowdown of the fatigue crack growth in the first stages. We also observed, thanks to heat tints marking, aparticular crack front morphology for cracks initiating from scratches. Heat treatment has been used and showed that the heterogeneous mechanical field induced by the fabrication of the anomalies controls the fatigue life and that it constitutes one of the parameters to be taken into account in a future modelling. A modelling strategy of the crack propagation from dent anomalies has been developed. This model is based on the knowledge of the residual stress field by finite elements simulations, and the application of the calculated stress field in a numerical crackgrowth model. The results confirmed that the residual stresses were the physical source of the fatigue crack growth slow-down and also responsible for the evolution of the crack front morphology. They also allowed us to identify the parameters which have to be measured during non-destructive testing