Effects of microstructure due to the forging paramters on the fatigue durability of turbine discs in Inconel 718 DA - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2014

Effects of microstructure due to the forging paramters on the fatigue durability of turbine discs in Inconel 718 DA

Effets des microstructures induites par le procédé de forgeage sur la durée de vie de pièces en Inconel 718 DA

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Abstract

Optimization of turbine discs in superalloy Nickel based durability is a real industrial challenge. The different regions of a wrought Inconel 718 DA superalloy turbine disk may present a wide range of behavior in fatigue life due to the variability of the microstructure. To improve the fatigue dimensioning, it is necessary to understand the relation between the forging parameters, the microstructure and the fatigue behavior. Firstly, the effect of the forging parameters on the microstructure was realized thanks to simulation calculation via Forge2® and experimental forging were realized. Secondly, fatigue tests under strain control conditions were performed at 450°C for all microstructures. Initiation mechanisms and fracture behavior are identified for each microstructure of this superalloy. Grain size and phases distributions were characterized in the specimens and related to fatigue failure initiation modes. The 3D distribution of the Titanium nitrides was also investigated using synchrotron laminography both in terms of size and spatial distribution. Fatigue crack initiation was seen to occur on large grains in stage I for the larger grain material whereas for the material with slightly smaller grains initiation from internal nitrides caused failure via so-called fish-eye cracks. A relation between the microstructure heterogeneities and the durability is established. Indeed, the initiation mechanism, which depends on the grain size distribution compare to the particles size, impacts the durability. The presence of Σ3 boundaries in large grains proves to be harmful.
L'optimisation de la durée de vie des disques de turbines conçus en superalliage à base de nickel, tel que l'Inconel 718 DA, constitue une vraie problématique industrielle. En effet, lors d'essais de fatigue oligocyclique à chaud sur des éprouvettes prélevées sur ces disques, il a été constaté que la durée de vie dépendait de la zone de prélèvement testée. Cette dispersion inattendue des résultats s'avère être un facteur très important d'un point de vue industriel car le dimensionnement des pièces étant conservatif, il est établi à partir des valeurs de durée de vie les plus faibles ce qui conduit à une pénalisation forte en termes de performance du point de vue de la conception. Le but de cette étude est donc d'expliciter la relation entre les paramètres de forgeage, les propriétés microstructurales et donc les durées de vie afin de proposer des pistes pour réduire la dispersion des résultats de fatigue pour optimiser ainsi le dimensionnement des structures. Dans un premier temps, l'étude de l'effet des paramètres de forgeage a été réalisée grâce au logiciel Forge2®. Cette étape a permis de mettre en évidence les paramètres de forgeage influant sur la microstructure et de définir des gammes de forgeage sur des lopins expérimentaux. Les mécanismes d'initiation et les modes d'endommagement ont été identifiés pour chaque microstructure de l'alliage. Il s'avère que, dans le cas des matériaux testés, deux mécanismes d'amorçage sont observés : un amorçage sur particule interne avec formation de « fish-eye » et un amorçage sur grain sub-surfacique. Une corrélation directe avec la microstructure et le domaine de durée de vie a pu être établie. L'effet du rapport entre la queue de distribution de taille de grains et la taille des particules a pu être mis en évidence, ainsi que la nocivité de la présence de joints Σ3 dans des gros grains.
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Cite

Mériem Abikchi. Effets des microstructures induites par le procédé de forgeage sur la durée de vie de pièces en Inconel 718 DA. Mécanique des matériaux [physics.class-ph]. Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2014. Français. ⟨NNT : 2014ENMP0069⟩. ⟨tel-02892024v2⟩
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