Étude de la détérioration par oxydation haute température et interdiffusion de systèmes revêtement-superalliage à base de nickel. Prévision de durée de vie PDF Download
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Book Description
Ce travail de thèse s'est intéressé à la détérioration, par oxydation et interdiffusion, de systèmes revêtement/superalliage à base de nickel, utilisés pour les aubes de turbine à gaz. Trois superalliages ont été étudiés : CMSX-4, SCB et IN792, revêtus par un aluminiure modifié au platine (RT22 ou CN91) ou par un revêtement NiCoCrA1YTa. Les cinétiques d'oxydation ont été déterminés entre 900°C et 1150°C. Des essais d'oxydation cyclique "long terme" de 15000h à 990°C et 1050°C, et "court terme" de 1800h à 1050°C, ont été effectués. Ils ont mis en évidence l'effet de la nature du superalliage, sur la résistance des systèmes RT22 ou CN91/superalliage et le rôle majeur de l'interdiffuion. Puis, le suivi des évolutions microstructurales et chimiques des systèmes revêtement/superalliage, a permis d'affiner les données à utiliser pour le modèle de prévision de durée de vie. Ces investigations ont mis en évidence la nécessité de prendre en compte, dans le modèle de diffusion, les transformations de phases, la présence de précipités et le déplacement des interfaces. Enfin, le critère de fin de vie le plus pertinent pour estimer la durée de vie des systèmes a été déterminé.
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Ce travail de thèse s'est intéressé à la détérioration, par oxydation et interdiffusion, de systèmes revêtement/superalliage à base de nickel, utilisés pour les aubes de turbine à gaz. Trois superalliages ont été étudiés : CMSX-4, SCB et IN792, revêtus par un aluminiure modifié au platine (RT22 ou CN91) ou par un revêtement NiCoCrA1YTa. Les cinétiques d'oxydation ont été déterminés entre 900°C et 1150°C. Des essais d'oxydation cyclique "long terme" de 15000h à 990°C et 1050°C, et "court terme" de 1800h à 1050°C, ont été effectués. Ils ont mis en évidence l'effet de la nature du superalliage, sur la résistance des systèmes RT22 ou CN91/superalliage et le rôle majeur de l'interdiffuion. Puis, le suivi des évolutions microstructurales et chimiques des systèmes revêtement/superalliage, a permis d'affiner les données à utiliser pour le modèle de prévision de durée de vie. Ces investigations ont mis en évidence la nécessité de prendre en compte, dans le modèle de diffusion, les transformations de phases, la présence de précipités et le déplacement des interfaces. Enfin, le critère de fin de vie le plus pertinent pour estimer la durée de vie des systèmes a été déterminé.
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MECANISME D'OXYDATION DE DEUX SUPERALLIAGES (IN100 ET CMSX2) PROTEGES PAR DES REVETEMENTS DE TYPE NICOCRALY ET CONICRALY DEVELOPPANT UNE COUCHE D'ALUMINE. MISE EN EVIDENCE DES DIFFERENTS PARAMETRES AFFECTANT LA RESISTANCE A L'OXYDATION. RECENSEMENT DES FACTEURS ESSENTIELS A CONSIDERER LORS DU CHOIX D'UN MATERIAU POUR QU'IL PRESENTE UNE RESISTANCE A L'OXYDATION OPTIMALE DANS DES CONDITIONS PRECISES D'UTILISATION
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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
Author: Sarah Hamadi Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 165
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Les aubes de turbine aéronautique fonctionnent dans des conditions extrêmes, car exposées en sortie de chambre de combustion à des gaz oxydants à très haute température. Elles sont constituées d’un superalliage à base de nickel, protégé soit par un revêtement simple aluminoformeur, soit par un système barrière thermique, le superalliage étant alors revêtu d’une couche de liaison aluminoformeuse et d’une couche isolante en zircone yttriée. En service, une couche d’alumine protectrice se développe en surface des aluminiures de nickel. L’utilisation actuelle d’un NiAl modifié au platine améliore l’adhérence de l'oxyde développé thermiquement sur le métal, mais son élaboration est coûteuse. Les éléments réactifs (dont Zr) sont connus pour améliorer l’adhérence de l’alumine sur les aluminiures de nickel, mais leurs mécanismes d’action dans le cas de revêtements restent à déterminer. Cette étude a été principalement menée sur des revêtements simples NiAl et NiAl(Zr). Nous avons constaté que le zirconium est très mobile dans l’ensemble du système, qu'il retarde le vieillissement du revêtement à 1100°C et évite la présence de cavités à l’interface métal / oxyde. Les travaux entrepris pour comprendre le rôle du zirconium sur la résistance en cyclage thermique ont révélé que ce dopant agit principalement aux premiers stades d’oxydation, en anticipant la formation d’alumine stable alpha. Cette influence du zirconium sur les temps courts d’oxydation permet de doubler la durée de vie du système en oxydation cyclique à 1100°C. Des éléments de comparaison de systèmes barrière thermique complets, comprenant une couche de liaison dopée ou non au zirconium, sont également proposés.
Author: Maxime Brossard Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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En service, les matériaux constituant les aubes de turbine aéronautique (superalliages à base nickel) sont soumis à des environnements agressifs susceptibles d'altérer leurs propriétés structurales. Les atmosphères oxydantes impliquées sont en général complexes (O2, H2O, CO2, SO2, NOx...), la quantité d'eau présente pouvant en particulier varier selon le régime moteur et les conditions environnantes (nuages, précipitations, humidité de l'air). Pour apporter une protection contre l'oxydation à haute température, on met en œuvre des revêtements alumino-formeurs sur lesquels une barrière thermique peut, de plus, être déposée. Le présent travail se proposait donc d'étudier l'influence de l'eau, sous forme vapeur et/ou liquide, sur le comportement de revêtements alumino-formeurs de référence, ou développés au LaSIE (barbotine d'aluminium, électrodéposition de CeO2), selon différents régimes d'oxydation (isotherme et cyclique). Afin de se rapprocher des conditions en service, une démarche scientifique originale a été proposée avec la mise en œuvre de conditions de vieillissement et post-vieillissement variées, à haute température, lors des phases de refroidissement, ou encore à température ambiante. Les expériences menées ont montré qu'une introduction de vapeur d'eau n'a que peu d'effet en régime isotherme à 1100°C, notamment lorsqu'une couche d'alumine alpha s'est développée en surface. L'ajout d'eau à froid (humidité relative,gouttes d'eau) accroît l'écaillage des couches d'oxydes, au-delà d'un temps d'oxydation critique, alors que l'apport d'eau lors de la phase de refroidissement des cycles thermiques conduit à une dégradation catastrophique des aluminures de nickel par un mécanisme combinant fatigue thermique et piqûration.
Author: Hervé Bernard Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages :
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LES ALLIAGES POUR AUBES DE TURBINES AERONAUTIQUES SONT SOUMIS AU PROCESSUS DE FATIGUE A HAUTE TEMPERATURE SOUS L'EFFET DES SOLLICITATIONS DE FATIGUE THERMIQUE ET DE L'EFFORT, CENTRIFUGE. CES ALLIAGES SONT UTILISES MUNIS D'UN REVETEMENT DE PROTECTION CONTRE L'OXYDATION. LA THESE CARACTERISE L'INFLUENCE DE CE REVETEMENT SUR LES PROPRIETES MECANIQUES DE L'IN100. LA MAJEURE PARTIE DE CETTE ETUDE PORTE SUR L'IDENTIFICATION DES MECANISMES D'ENDOMMAGEMENT DU COMPOSITE REVETEMENT SUBSTRAT EN FATIGUE MECANOTHERMIQUE. TOUTEFOIS, QUELQUES ESSAIS D'OXYDATION DE L'ALLIAGE REVETU ENTAILLE ONT ETE EFFECTUES. LA COURBE DE TRANSITION DUCTILE-FRAGILE DE L'ALLIAGE REVETU VIERGE ET PREOXYDE A ETE DETERMINEE. LES ESSAIS MENES EN FATIGUE OLIGOCYCLIQUE ISOTHERME ONT PERMIS DE MIEUX COMPRENDRE LES MECANISMES D'ENDOMMAGEMENT EN FONCTION DE LA TEMPERATURE. LA FATIGUE THERMIQUE A PERMIS DE COMPARER L'ENDOMMAGEMENT SUR STRUCTURE AVEC L'ENDOMMAGEMENT SUR EPROUVETTE. DES CALCULS DE DUREE DE VIE DE L'ALLIAGE DANS LES DIFFERENTS CAS PRESENTES CI-DESSUS ONT ETE DEVELOPPES ET UTILISES GRACE A UN MODELE TENANT COMPTE DE L'INTERACTION FATIGUE-OXYDATION. L'ETAT DE CONTRAINTE DANS LE SUBSTRAT ET LE REVETEMENT A ETE CALCULE EN FATIGUE ANISOTHERME GRACE A UN CALCUL AUX ELEMENTS FINIS EN CONDITION VISCOPLASTIQUE ANISOTHERME BIMATERIAU REALISE AVEC LE CODE DE CALCUL ZEBULON
Author: Christian Mathieu Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 168
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Ce mémoire décrit les processus de ruine d'échantillons filiformes d'alliages base nickel (Ni20Cr et Ni15Cr8Fe) en présence de dioxyde de soufre, entre 400 et 1000°C. Le mode de dégradation est analysé d'abord en l'absence de contraintes externes grace à une étude de corrosion à haute température où les mécanismes réactionnels sont identifiés. En présence de contraintes externes mode l, l'action combinée de la dégradation mécanique et de l'attaque chimique est analysée à partir de la variation des paramètres mécaniques et de l'évaluation de la vitesse de fissuration du matériau métallique. Pour les deux alliages étudiés, entre 500 et 800°C la couche de corrosion est constituée principalement de Cr2O3, de NiO et Ni3S2. On observe un comportement mécanique comparable sauf en ce qui concerne l'allongement à la rupture. Pour le Ni20Cr, la vitesse de réaction est maximale entre 730 et 800°C ; cette accélération est attribuée principalement à une modification des mécanismes diffusionnels. Pour l'alliage Ni15Cr8Fe, on observe toujours une vitesse initiale de corrosion relativement importante entre 800 et 1000°C ; quant aux vitesses de fissuration, elles sont légèrement plus grandes que pour l'autre alliage, dans tout le domaine de température.
Author: Benjamin Flageolet Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 194
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Les moteurs devant équiper un avion supersonique civil de deuxième génération devront avoir une durée de vie plus grande que les moteurs actuels, et présenter un rendement amélioré. Les disques de turbine seront en conséquence exposés de manière prolongée à des températures élevées, de l'ordre de 700 °C. L'enjeu de cette étude est d'analyser, dans ces conditions, l'évolution de la microstructure métallurgique du superalliage base nickel N18 induite par le maintien à haute température, et d'en évaluer les conséquences sur les processus contrôlant sa durée de vie en fatigue, en fluage, et en fatigue-fluage à 700 °C. Notre approche expérimentale s'est appuyée sur une caractérisation de la modification de la précipitation gamma', qui concerne essentiellement la population la plus fine (tertiaire), et sur divers types d’essais mécaniques à haute température. Nous proposons des approches de type LSW et LSW modifiée pour décrire la croissance des précipités tertiaires à court terme et pour rendre compte du fort ralentissement de la cinétique qui a été mis en évidence à long terme. Aucun effet du vieillissement n'a été noté lorsque le matériau est testé en fatigue. En revanche, une réduction significative de la durée de vie en fatigue-fluage est observée. Nous avons analysé celle-ci au travers de l'étude de l'endommagement du matériau, associé aux précipités gamma' primaires, mais aussi des forts couplages existant entre fatigue, fluage et oxydation dans ces conditions de sollicitation à très haute température
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DES SUPERALLIAGES BASE NICKEL DEVELOPPES POUR DES CONDITIONS SEVERES DE TEMPERATURE ET DE CONTRAINTE, AINSI QUE LES PHASES INTERMETALLIQUES LES COMPOSANT, ONT ETE ETUDIES PAR FROTTEMENT INTERIEUR EN BALAYAGE DE FREQUENCE DE L'AMBIANTE A 1200 K. AUX BASSES TEMPERATURES (350-450 K), DES EFFETS DE RELAXATION LIES A LA PRESENCE D'INTERSTITIELS ONT ETE OBTENUS DANS DES MONOCRISTAUX NI#3AL+HF ET TIAL ET DANS LE SUPERALLIAGE MONOCRISTALLIN AM1. AUX HAUTES TEMPERATURES (>850 K), DANS TOUS LES MATERIAUX ETUDIES, UN PIC DE RELAXATION LIE A LA MONTEE DES DISLOCATIONS PAR AUTO-DIFFUSION A ETE OBSERVE. CE MECANISME INTERVIENT FORTEMENT SUR LES PROPRIETES MECANIQUES, PAR EXEMPLE DANS L'ALLIAGE DE REVETEMENT NICOCRALYTA, IL ENTRAINE L'APPARITION DE LA DUCTILITE DANS LE MATERIAU. DES EFFETS COMPLEXES D'AMORTISSEMENT LIE A L'ORDRE ONT ETE MIS EN EVIDENCE DANS PLUSIEURS CAS: PIC DE RELAXATION INTENSE DANS LES POLYCRISTAUX NI#3AL ORDONNE LIE A LA PRESENCE DE FAUTES D'ORDRE ET EFFET D'AMORTISSEMENT NON THERMIQUEMENT ACTIVE DANS LE SUPERALLIAGE AM1 ET UN POLYCRISTAL A GRAINS NI#3AL ORDONNE ET DESORDONNE. CES RESULTATS ORIGINAUX SONT ANALYSES EN TERME DE DESORDRE LOCAL ET DE GRADIENT CHIMIQUE
Author: Nadia Vialas
Author: Nadia Vialas
Author: Aymeric Raffaitin
Author: Abdecharif Boumaza
Author: REGINE.. MOLINS-GERVAIS
Author: Sarah Hamadi
Author: Maxime Brossard
Author: Hervé Bernard
Author: Christian Mathieu
Author: Benjamin Flageolet
Author: KHALID.. CHAKIB