Fatigue damage modelling of single crystal turbine blades containing stress concentration regions
Modélisation de l'endommagement en fatigue des superalliages monocristallins pour aubes de turbines en zone de concentration de contrainte
Résumé
The AM1 superalloy blades of aeronautical High Pressure turbines are cooled by a complex system of micro-channels, located at the leading edge and near the trailing edge. These micro-channels constitute preferential sites for damage and crack initiation, phenomena which have to be taken into account in the design of turbine blades. The aim of this work was, first, to carry out an experimental study on perforated specimens with different hole diameters. The effect of the stress gradient on the crack initiation (300 µm criterion for the crack length) has been demonstrated qualitatively as well as quantitatively. However, the use of a maximum stress (or maximum strain) criterion is not sufficient as a failure criterion since it overestimates the risk of failure and does not take into account the length scale or geometrical effects. A volume average method has been proposed in order to take into account the stress gradient effect in the lifetime calculation. It has significantly improved the lifetime predictions. At the same time, an anisotropic fatigue damage model has been developed. In this model, plasticity is coupled with damage in order to describe the micro-initiation stage. The model identification and validation have been realised with respect to existing experimental data on unperforated samples and on the results of the experimental campaign carried out in this work, on perforated specimens. Finally, in order to take into account the stress gradients in the high stress concentration regions, the volume average method has been applied to the results obtained with the previously described model and has provided encouraging results.
Les aubes de turbine Haute Pression des moteurs d'avion, constituées du superalliage monocristallin AM1, sont refroidies par un circuit complexe de microcanalisations, situé en bord d'attaque et près du bord de fuite. Il peut constituer des sites privilégiés d'endommagement et d'amorçage de fissures, qu'il est indispensable de prendre en compte dans le dimensionnement en fatigue des aubes de turbines. Ce travail a consisté, dans un premier temps, à réaliser une étude expérimentale sur des éprouvettes perforées de trous de différents diamètres. Elle a permis de mettre en évidence qualitativement et quantitativement l'effet du gradient de contrainte sur l'amorçage de fissure. Cependant, la contrainte locale maximale (ou la déformation maximale) ne peut suffire dans un critère de rupture, car elle surestime le risque de rupture, ne prenant pas en compte les effets d'échelle ou de géométrie. Une méthode de moyenne volumique a alors été proposée pour prendre en compte le gradient de contrainte dans le calcul de durée de vie et a ainsi permis d'améliorer les prévisions de durée de vie.Parallèlement, un modèle d'endommagement de fatigue anisotrope, qui couple plasticité et endommagement, en s'attachant particulièrement à décrire la phase de micro-amorçage, a été développé. L'identification et la validation du modèle ont été réalisées à partir d'une base de données expérimentales conséquente sur l'AM1 et sur les essais sur éprouvettes perforées réalisés au cours de ce travail. Afin de prendre en compte les effets de gradient dans les zones à forte concentration de contrainte, la méthode de moyenne volumique a été appliquée avec ce modèle et a fourni des résultats encourageants.
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