Modelling of microstuctural evolution influence on mechanical behaviour of single crystal superalloys - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2009

Modelling of microstuctural evolution influence on mechanical behaviour of single crystal superalloys

Modélisation des effets de l'évolution microstructurale sur le comportement mécanique du superalliage monocristallin AM1

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Abstract

The framework of this thesis is the modelling and the lifetime prediction of high pressure aeronautical turbine blades. These parts are realized in nickel base single crystal superalloys. This work is focused on the microstructural evolution arising at high temperatures under mechanical loading known as the directionnal coarsening. In a first time, this work consists in studying the mechanical behaviour of the initial non-aged material. Tests have been performed at 950°C in order to enrich the available data base. They have allowed us to identify a hyperbolic sinus viscosity model over a wide range of stain rates. The initial behaviour has also been studied at the mesoscopic scale. A constitutive model has been identified for both phases in order to reproduce the macroscopic behaviour of the material. This study, performed in the classical viscoplasticity framework, shows the limits of this approach. In particular, it does not allow to model the length scale effects observed in plasticity. In the same time, we have studied the directionnal coarsening phenomenon in both experimental and numeric ways. Mechanical test after ageing have been realized. Various ageing conditions have been tested, in creep at different temperatures and stresses and along different cristallographic orientations but also under cyclic loading. Tests have shown an effect of the directionnal coarsening on the hardening. More precisely, the directionnal corasening induces a softening of the material behaviour. Directionnal coarsening has also been simulated with the phase field method. We have proposed a coupling between the phase field model and a viscoplastic crystal plasticity model in order to take into account the plasticity in the evolving matrix channels. Simulations have shown an increase in the kinetics of the rafting evolution induced by plasticity and a more realistic morphology of the precipitates as observed axperimentally, in particular under cyclic ageing. In order to understand the influence of the directionnal coarsening on the mechanical behaviour, length scale effects were analyzed in the framework of generalized continuum approaches like the Cosserat and the microcurl models. In order to compare the results obtained with both approaches, a two--phase laminate loaded in shear has been studied analytically. Both models deliver a linear kinematic hardening dependant on the size of the microstructure. Finally, the previous developement and the tests performed during this work allow to propose and identify an extended macroscopic model which takes into account the effects of the directionnal coarsening on the machanical behaviour of the AM1 superalloy.
Ce travail s'inscrit dans le contexte de la modélisation et de la prévision de la durée de vie des aubes de turbines haute pression des moteurs aéronautiques. Ces pièces sont réalisées en superalliage monocristallin base nickel tel que l'AM1, matérieu de l'étude. Dans le cadre de ce travail, nous nous sommes intéressés aux évolutions microstructurales se produisant à haute température sous chargement mécanique connues sous le nom de coalescence orientée des précipités. Ce travail a consisté, dans un premier temps, a étudier le comportement du matérieu non-vieilli. Des essais à 950°C ont été réalisés afin d'enrichir la base d'essais existente. Ils ont permis l'identification d'un modèle de viscosité de type sinus hyperbolique sur une large gamme de vitesses de sollicitations. Le comportement initial du matériau a également été étudié à l'échelle mésoscopique (échelle des phases). Un modèle de comportement a été identifié pour chacune des phases afin de reproduire le comportement macroscopique du matériau. Cette étude, effectuée dans le cadre de la viscoplasticité classique a permis de mettre en évidence les limites de cette approche. Notamment, elle ne permet pas de modéliser les effets d'échelle observés en plasticité. Parallèlement, nous nous sommes intéressés au phénomène de coalescence orientée, tant d'un point de vue expérimental que numérique. Des essais mécaniques après vieillissement ont été réalisés. Différentes conditions de vieillissement ont été étudiées, en fluage à différentes température et contraintes et suivant différentes orientations cristallographiques mais également sous chargement cyclique. Les essais mécaniques ont montré un effet prépondérant de la coalescence orientée sur l'écrouissage du matériau, allant dans le sens d'un adoucissement. La coalescence orientée a également été modélisée par la méthode des champs de phases. Nous avons proposé un couplage du modèle champs de phases avec un modèle de comportement de viscoplasticité cristalline afin de prendre en compte l'influence de l'activité plastique dans les couloirs de matrice. Les simulations ont montré une accélération de la cinétique de mise en radeaux due à la plasticité ainsi que des précipités ayant une forme plus réaliste vis-à-vis de l'expérience, notamment en vieillissement sous chargement cyclique lent. La prise en compte des effets de la coalescence orientée passe par la modélisation des effets d'échelle en plasticité. C'est pourquoi nous nous sommes intéressés aux milieux continus généralisés. Nous avons étudié analytiquement les effets d'échelle produits par un modèle de Cosserat et le modèle microcurl dans le cas d'un matériau biphasé en cisaillement. Les deux modèles prévoient un écrouissage cinématique linéaire dépendant de la taille de la microstructure. Enfin, les développement précédents et les essais réalisés dans le cadre de ce travail ont permis la construction et l'identification d'un modèle macroscopique étendu qui rend compte des effets de la coalescence orientée sur le comportement mécanique de l'AM1.
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Dates and versions

pastel-00580004 , version 1 (25-03-2011)

Identifiers

  • HAL Id : pastel-00580004 , version 1

Cite

Anaïs Gaubert. Modélisation des effets de l'évolution microstructurale sur le comportement mécanique du superalliage monocristallin AM1. Matériaux. École Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2009. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00580004⟩
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