Etude des mecanismes d'endommagement d'un système barriere thermique depose sur un superalliage base nickel PDF Download

Author: Catherine Guerre
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Languages : fr
Pages : 286

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Les systèmes barrières thermiques constitués d'un revêtement céramique et d'une sous-couche d'accrochage déposés sur un superalliage sont développés pour les aubes mobiles de turbine haute pression des turboréacteurs. La durée de vie de l'aube estcorrélée à l’écaillage de la barrière thermique.Cette thèse a permis d’améliorer la compréhension des mécanismes à l’origine de l’endommagement du système barrière thermique sous des sollicitations complexes, proches des sollicitations des aubes en conditions réelles. Dans ce but, des essais d'oxydation isotherme, d'oxydation anisotherme et de fatigue anisotherme ont été réalisés. Les essais ont été interrompus avant la durée de vie afin d’étudier les mécanismes, les cinétiques d’endommagement et de déterminer la résistance résiduelle à l’écaillage. Les différents mécanismes d’endommagement et leurs conséquences sur la résistance à l’écaillage ont été discutés en fonction de la nature des sollicitations thermiques et / ou mécaniques imposées et en fonction du taux de soufre dans le superalliage.

Author: ANNY.. BICKARD
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Languages : fr
Pages : 443

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LES BARRIERES THERMIQUES SONT DESTINEES A PROTEGER LES AUBES DE TURBINE DU MOTEUR SNECMA-M88. UNE SOUS-COUCHE ANTIOXYDANTE (NIAL-PT) LIE LE SUBSTRAT A UNE COUCHE DE CERAMIQUE (ZRO 2-7% Y 2O 3 EBPVD). LA RHEOLOGIE DE NIAL-PT A ETE ETUDIEE DANS LES DOMAINES FRAGILE ET VISCOPLASTIQUE ET UN CRITERE DE FISSURATION EN FATIGUE A ETE ETABLI ET APPLIQUE A LA FATIGUE THERMIQUE. L'ETUDE DE LA BARRIERE THERMIQUE COMPLETE S'INTERESSE A SA RESISTANCE INTERFACIALE APRES UNE PREOXYDATION A 1100\C, A SA TENUE EN FATIGUE OLIGOCYCLIQUE ISOTHERME A 1100\C ET EN FATIGUE ANISOTHERME ENTRE 100\C ET 1100\C. UNE PREOXYDATION A 1100\C D'EPROUVETTES ADAPTEES, SUIVIE D'UNE TRACTION MONOTONE A TEMPERATURE AMBIANTE, INDUISENT UN DELAMINAGE COHESIF A L'INTERFACE SOUS-COUCHE/ALUMINE, QUI EST AFFECTE PAR UNE CAVITATION. L'ECAILLAGE DES DEUX OXYDES (ALUMINE ET ZIRCONE) PEUT ENSUIVRE SURVENIR. LE DELAMINAGE EST AUSSI ETUDIE LOCALEMENT PAR DES ESSAIS D'INDENTATION INTERFACIALE. LA FATIGUE OLIGOCYCLIQUE ISOTHERME A 1100\C, CONDUITES AVEC DIFFERENTS TYPES DE CHARGEMENT, MONTRENT UNE FISSURATION TRANSVERSE DE LA SOUS-COUCHE. LE DELAMINAGE QUI AFFECTE PARFOIS L'INTERFACE ALUMINE/SOUS-COUCHE EST LIE A LA CAVITATION. LA SOLLICITATION ANISOTHERME PRODUIT UNE MULTIFISSURATION AU DEBUT DE L'ESSAI ET UNE CAVITATION INCLUSE DANS L'ALUMINE. IL EN RESULTE UN DELAMINAGE ADHESIF LOCALISE PRES DE L'INTERFACE ALUMINE/ZIRCONE. L'ETAT DE CONTRAINTE D'ORIGINES THERMIQUE, MECANIQUE ET RESULTANT DE LA CROISSANCE DE L'ALUMINE, AINSI QUE LES DISTRIBUTIONS D'EPAISSEURS D'ALUMINE ET DE TAILLES DE CAVITES INTERFACIALES ONT ETE QUANTIFIEES. CES DEUX DERNIERS PARAMETRES ONT ETE CORRELES A LA COURBURE DU SUBSTRAT EN CONDITIONS ISOTHERMES. UNE MODELISATION DONNE UNE ESTIMATION DE L'ENERGIE DE RUPTURE INTERFACIALE. EN CONDITIONS ANISOTHERMES, LA CINETIQUE D'OXYDATION NE PEUT PLUS ETRE RELIE A LA SEULE COURBURE DU SUBSTRAT. UN MODELE BASE SUR DES REINITIALISATIONS DE LA CINETIQUE ISOTHERME DECRIT BIEN L'EXPERIENCE.

Author: Jean-Louis Malpertu
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Languages : fr
Pages : 240

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ETUDE SUR UNE EPROUVETTE TUBULAIRE EN ALLIAGE IN100 SOUMISE SIMULTANEMENT A UN CYCLE DE TEMPERATURE (600 A 1050C) ET A UN CYCLE DE DEFORMATION. DETERMINATION EXPERIMENTALE DES LOIS DE COMPORTEMENT ANISOTHERME. INFLUENCE DE DIVERS PARAMETRES SUR L'AMORCAGE ET LE DEBUT DE PROPAGATION DES FISSURES. ANALYSE DES MECANISMES D'ENDOMMAGEMENT LIES A LA FRAGILISATION DE L'ALLIAGE PAR LA DIFFUSION DE L'OXYGENE. PROPOSITION D'UN MODELE D'ENDOMMAGEMENT PRENANT DIRECTEMENT EN COMPTE L'INTERACTION FATIGUE-OXYDATION. PREVISION DE LA DUREE DE VIE EN FATIGUE ISOTHERME A 1000C ET EN FATIGUE MECANO-THERMIQUE

Author: DIDIER.. LE STRAT
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LES SUPERALLIAGES A BASE DE NICKEL SONT ACTUELLEMENT LES SEULS MATERIAUX POSSEDANT LES CARACTERISTIQUES REQUISES POUR UNE UTILISATION PROLONGEE A TEMPERATURE ELEVEE. CES MATERIAUX SONT NOTAMMENT UTILISES POUR LES DISQUES DE TURBOREACTEURS, LESQUELS ONT NECESSITE LA CREATION DE NOUVEAUX SUPERALLIAGES AINSI QUE L'AMELIORATION DE LEURS PROCEDES D'ELABORATION. APRES L'INFLUENCE DES ELEMENTS CHIMIQUES ENTRANT DANS LA COMPOSITION DE L'ALLIAGE, LE ROLE DU MODE D'ELABORATION SUR LES PROPRIETES MECANIQUES A ETE ETUDIE. AINSI, ON A COMPARE TROIS PROCEDES DE FABRICATION DU MATERIAU, INITIALEMENT OBTENU PAR METALLURGIE DES POUDRES (COMPACTION ISOSTATIQUE A CHAUD/FORGEAGE CONVENTIONNEL/EXTRUSION ET FORGEAGE ISOTHERME). ON CONCLUT A LA FRAGILITE INTERPARTICULAIRE REDHIBITOIRE OCCASIONNEE PAR LE PREMIER PROCEDE, ALORS QUE LE FORGEAGE ISOTHERME PERMET D'OBTENIR UN MATERIAU HOMOGENE. LA RELATION ENTRE LES PROPRIETES MECANIQUES ET LA MICROSTRUCTURE A ENSUITE ETE ETABLIE. ENFIN, L'ENDOMMAGEMENT PAR FLUAGE A ETE ETUDIE. CE MODE DE RUINE SE CARACTERISE PAR L'APPARITION DE CAVITES QUI COALESCENT EN FISSURES. GRACE AUX TECHNIQUES DE MICROSCOPIE A BALAYAGE ET A TRANSMISSION, ON A PU METTRE EN EVIDENCE LES LIENS ETROITS EXISTANT ENTRE COMPOSITION CHIMIQUE, MICROSTRUCTURE ET ENDOMMAGEMENT

Author: Hervé Bernard
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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: Fabienne Touratier
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Le MC2 est un superalliage base nickel monocristallin constitué d'une matrice austénitique gamma renforcée par des précipités intermétalliques ordonnés gamma'. Cet alliage est couramment utilisé pour des applications à très haute température telles que les aubes de turbines. Son comportement aux très hautes températures est ici étudié en abordant deux aspects. Une modification du comportement en fluage anisotherme à 1150°C, où apparaissent une augmentation de la vitesse de fluage et une diminution de la durée de vie, ainsi qu'une direction de coalescence orientée des radeaux à 45° de la contrainte appliquée. Des essais de fluage isothermes et anisothermes à 1150°C, 1100°C et 950°C ont été réalisés et comparés à des simulations par éléments finis. Les microstructures obtenues ont été observées en microscopie électronique en balayage et à transmission. Nous proposons des mécanismes qui s'appuient sur la dissolution des radeaux, la montée des dislocations et des échanges de lacunes

Author: Philippe Revel
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L'OBJECTIF ESSENTIEL DE CE TRAVAIL ETAIT DE SIMULER, PUIS DE MODELISER LES EFFETS DE LA FATIGUE THERMIQUE SUR UN REVETEMENT EN SUPERALLIAGE BASE COBALT (STELLITE 21) DEPOSE PAR ARC PLASMA SEMI-TRANSFERE, SUR UN SUBSTRAT EN ACIER PEU ALLIE (25CD4). LA COMPLEXITE DES CHAMPS THERMOMECANIQUES MIS EN JEU DANS UNE STRUCTURE SOLLICITEE EN FATIGUE THERMIQUE NOUS A CONDUIT A MENER LE TRAVAIL SIMULTANEMENT SUIVANT TROIS AXES BIEN DISTINCTS: ETUDE DE L'EVOLUTION MICROSTRUCTURALE DU REVETEMENT SOLLICITE EN FATIGUE THERMIQUE ET MECANIQUE, ETUDE DU COMPORTEMENT ET DE L'ENDOMMAGEMENT EN CONDITION ISOTHERME D'UN ELEMENT DE VOLUME DU MATERIAU, CALCUL PAR LA METHODE DES ELEMENTS FINIS DU COMPORTEMENT DE LA STRUCTURE CYCLEE DANS DES CONDITIONS ANISOTHERMES. LES PRINCIPAUX ELEMENTS A NOTER SONT: LE DEPOT PRESENTE UNE TEXTURE DE FIBRE MISE EN EVIDENCE PAR DIFFRACTION NEUTRONIQUE; L'IDENTITE DU MODE DE DEFORMATION DE LA STELLITE 21 POUR LES DIFFERENTS TYPES DE SOLLICITATION: FORMATION DE LA PHASE DE MARTENSITE ; LE ROLE DE LA PRECIPITATION DE CARBURES A HAUTE TEMPERATURE SUR L'EVOLUTION DES VARIABLES INTERNES DU MODELE VISCOPLASTIQUE; L'IDENTIFICATION, DANS LA PLAGE DE TEMPERATURE ETUDIEE 20-700C DU COMPORTEMENT MECANIQUE DU REVETEMENT ET DE SON SUBSTRAT; LE CALCUL EN VISCOPLASTICITE ANISOTHERME DU COMPORTEMENT THERMOMECANIQUE DE LA STRUCTURE BI-MATERIAU ET UNE EVALUATION DE LA CINETIQUE D'ENDOMMAGEMENT DU REVETEMENT

Author: EMMANUEL.. CHATEAU
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Pages : 201

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L'ETUDE PRESENTEE ICI VISE A CARACTERISER LE COMPORTEMENT EN FLUAGE D'UN SUPERALLIAGE FORGE POUR DISQUES DE TURBOMACHINES, L'UDIMET 720, A UNE TEMPERATURE DE 850\C. UNE APPROCHE ORIGINALE, METTANT EN UVRE DES EPROUVETTES A SECTIONS UTILES MULTIPLES, A PERMIS DE CARACTERISER LE COMPORTEMENT MECANIQUE DE L'ALLIAGE EN FLUAGE, MAIS EGALEMENT DE PROCEDER A UNE ETUDE SYSTEMATIQUE DES MECANISMES D'ENDOMMAGEMENT INTERVENANT A HAUTE TEMPERATURE. LA CONTRIBUTION DES EFFETS D'ENVIRONNEMENT AU COMPORTEMENT MACROSCOPIQUE DE L'ALLIAGE A ETE MISE EN EVIDENCE PAR LE BIAIS D'ESSAIS DE FLUAGE REALISES SOUS VIDE SECONDAIRE, OU SUR DES MICRO-EPROUVETTES A SECTION UTILE REDUITE. LES MECANISMES D'ENDOMMAGEMENT INTERVENANT EN FLUAGE ONT ETE IDENTIFIES SUR LA BASE D'OBSERVATIONS METALLOGRAPHIQUES D'EPROUVETTES ROMPUES EN FLUAGE OU PARTIELLEMENT ENDOMMAGEES. TROIS MECANISMES ONT PU ETRE IDENTIFIES : UN MECANISME D'OXYDATION SUPERFICIELLE DE L'ALLIAGE, UN MECANISME D'OXYDATION PREFERENTIELLE DES JOINTS DE GRAINS DE L'ALLIAGE, FORTEMENT COUPLE AVEC LE CHARGEMENT MECANIQUE, ET UN MECANISME DE COALESCENCE DES PRECIPITES DE LA PHASE DURCISSANTE RENFORCANT UNIFORMEMENT LA MATRICE DE L'ALLIAGE. LA DEMARCHE ADOPTEE NOUS A PERMIS DE DETERMINER, POUR CHACUN DE CES MECANISMES, UNE CINETIQUE D'EVOLUTION ET DE QUANTIFIER LES COUPLAGES EXISTANT ENTRE LES EVOLUTIONS MICROSTRUCTURALES DE L'ALLIAGE ET LE CHARGEMENT MECANIQUE. A PARTIR DES LOIS D'EVOLUTION DE L'ENDOMMAGEMENT INDUIT PAR CHACUN DE CES MECANISMES, ON PROPOSE UNE MODELISATION PHENOMENOLOGIQUE DU COMPORTEMENT ET DE L'ENDOMMAGEMENT DE L'UDIMET 720 SOLLICITE EN FLUAGE. LE MODELE PERMET DE DECRIRE LE COMPORTEMENT MACROSCOPIQUE EN FLUAGE, JUSQU'A RUPTURE, D'UNE EPROUVETTE DE GEOMETRIE SIMPLE. LA MODELISATION PROPOSEE PERMET DE DEGAGER DES REGLES POUR LE DIMENSIONNEMENT DE PIECES, ET DE METTRE EN EVIDENCE LES PARAMETRES MICROSTRUCTURAUX POUVANT ETRE OPTIMISES POUR AMELIORER LA RESISTANCE EN FLUAGE DES SUPERALLIAGES A BASE DE NICKEL.

Author: Aurélie Vande Put (enseignante-chercheuse en sciences des matériaux).)
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La résistance à l'écaillage d'un système barrière thermique est fonction de la composition et microstructure des matériaux constituant le système, ainsi que des procédés utilisés pour son élaboration. Cette thèse s'intéresse à l'influence d'une couche de platine déposée à la surface du dépôt NiCoCrAlYTa (sous-couche) sur le comportement en oxydation du système barrière thermique. Une étude approfondie est d'abord menée afin d'identifier les atouts et points faibles en oxydation cyclique d'un système comprenant un revêtement NiCoCrAlYTa. La formation d'une couche d'oxyde composée non exclusivement d'alumine et l'importante rugosité de la sous-couche, favorisant les défauts au sein de la barrière thermique, accélèrent l'écaillage de la barrière thermique. Parallèlement, la présence de carbures de tantale au sein du dépôt ne suffit pas à stopper le titane qui diffuse depuis le superalliage jusqu'à la couche d'oxyde et dégrade le système. Le platine ayant déjà démontré son effet très bénéfique sur les dépôts aluminures de nickel, il apparaît comme prometteur pour améliorer le comportement en oxydation du revêtement NiCoCrAlYTa. L'étude de son influence débute par une analyse fine de deux sous-couches NiCoCrAlYTa modifié platine : la première comprend un revêtement NiCoCrAlYTa obtenu par co-dépôt électrolytique, la seconde un dépôt NiCoCrAlYTa élaboré par projection plasma sous vide. Cette caractérisation, par diffraction des rayons X et microscopie électronique à balayage et en transmission, met en évidence la présence de martensite en surface du revêtement, conséquence de la diminution de l'activité de l'aluminium par le platine. Elle révèle également la forte influence du procédé utilisé pour l'élaboration du dépôt NiCoCrAlYTa sur la microstructure obtenue après le traitement thermique de diffusion. Des essais d'oxydation isotherme et de préoxydation sont ensuite réalisés sur la sous-couche dont le revêtement NiCoCrAlYTa est élaboré par co-dépôt électrolytique. Les couches d'oxydes formées sont analysées par diffraction des rayons X, spectroscopie Raman et fluorescence. Grâce à l'ajout de platine, qui entraîne l'augmentation de la teneur en aluminium dans la zone externe du revêtement, l'oxydation sélective de l'aluminium est favorisée. Cela se traduit par une diminution de la cinétique d'oxydation et une augmentation de la résistance à l'écaillage de la couche d'oxyde. Cependant, les carbures de tantale se décomposent lors du traitement thermique de diffusion puis lors de l'oxydation, laissant le titane libre de diffuser depuis le superalliage jusqu'à l'oxyde. De l'oxyde de titane est en effet détecté par spectroscopie Raman en petite quantité dans de la couche d'oxyde (avec l'AM3 comme substrat). Un autre point important sur la composition du superalliage est la présence d'élément réactif qui permet de diminuer la croissance de la couche d'oxyde. Concernant les essais de préoxydation, les résultats obtenus indiquent la nécessité d'une faible pression partielle d'oxygène afin de promouvoir la formation d'alumine-a. Le platine, quant à lui, ne favorise pas la formation d'alumine de transition. Des essais d'oxydation cyclique sur des systèmes barrière thermique sont ensuite menés. L'effet bénéfique du platine sur l'oxydation sélective de l'aluminium est confirmé, ce qui entraîne une augmentation de la durée de vie en cyclage. Cependant, la décomposition des carbures de tantale est de nouveau observée. Une diffusion très importante de titane depuis le superalliage jusqu'à l'oxyde est ainsi notée pour les systèmes barrière thermique comprenant une sous-couche modifiée platine avec un dépôt NiCoCrAlYTa obtenu par projection plasma sous vide. Dans le cas de système avec une sous-couche modifiée platine comprenant un dépôt NiCoCrAlYTa élaboré par co-dépôt électrolytique, le problème majeur est la présence de pores en surface et d'une certaine porosité à l'intérieur du revêtement. L'oxydation des pores en surface ainsi que le cyclage thermique provoque la pénétration de l'oxyde puis sa propagation catastrophique dans le revêtement. Les résultats obtenus permettent de dégager les points importants de l'élaboration d'un système barrière thermique. Il est alors recommandé que le superalliage contienne un élément réactif mais peu de titane. Le dépôt NiCoCrAlYTa nécessaire à la fabrication de la sous-couche doit être dense et la préparation de surface, avant et après le dépôt de platine, doit permettre d'obtenir une faible rugosité de surface avant le dépôt de la barrière thermique. Enfin, les paramètres (température, pression partielle d'oxygène, sablage) lors de la première oxydation du système doivent être contrôlés de manière à favoriser la formation d'alumine-a.

Author: Sarah Hamadi
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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.