Fiche de soutenance de Anais GAUBERT - MINES ParisTech

Soutenance de thèse de : Anaïs GAUBERTModélisation des effets de l'évolution microstructurale sur le comportement mécanique dusuperalliage monocristallin AM1.Titre anglais :Modelling of microstuctural evolution influence on mechanicalbehaviour of single crystal superalloysEcole Doctorale : SMI - Sciences des Métiers de l'IngénieurSpécialité :Sciences et génie des matériaux - EvryCette soutenance aura lieu Lundi 30 Novembre 2009 à 14h00Adresse de la soutenance : 60 boulevard St Michel 75272 Paris Cedex 06 - Salle L.218devant le jury composé de :Colette REY Professeur Centrale Paris RapporteurAlain HAZOTTE Professeur Université de Metz RapporteurBenoit APPOLAIRE Maitre de Conférence Onera -LEM ExaminateurFrançois COMTE Docteur Snecma ExaminateurBernard FEDELICH Docteur BAM ExaminateurAlphonse FINEL Directeur de recherche CNRS Onera - LEM ExaminateurFranck GALLERNEAU DocteurOnera - DMSM/CEMN ExaminateurSamuel FOREST Directeur de recherche CNRS MINES ParisTech ExaminateurMots clés enfrançais :Mots clés enanglais :Superalliages,Coalescence orientée,comportement mécanique,Champs dePhases,Mécanique de Milieux Continus GénéralisésSuperalloys,Rafting,Mechanical behaviour,Phase Fieldmodelling,Generalized ContinuaRésumé de la thèse en français :Ce travail s'inscrit dans le contexte de la modélisation et de la prévision de la durée de vie desaubes de turbines haute pression des moteurs aéronautiques. Ces pièces sont réalisées ensuperalliage monocristallin base nickel tel que l'AM1, matérieu de l'étude. Dans le cadre de cetravail, nous nous sommes intéressés aux évolutions microstructurales se produisant à hautetempérature sous chargement mécanique connues sous le nom de coalescence orientée desprécipités. Ce travail a consisté, dans un premier temps, a étudier le comportement dumatérieu non-vieilli. Des essais à 950°C ont été réalisés afin d'enrichir la base d'essaisexistente. Ils ont permis l'identification d'un modèle de viscosité de type sinus hyperboliquesur une large gamme de vitesses de sollicitations. Le comportement initial du matériau aégalement été étudié à l'échelle mésoscopique (échelle des phases). Un modèle decomportement a été identifié pour chacune des phases afin de reproduire le comportementmacroscopique 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 pasde modéliser les effets d'échelle observés en plasticité. Parallèlement, nous nous sommesintéressés au phénomène de coalescence orientée, tant d'un point de vue expérimental quenumérique. Des essais mécaniques après vieillissement ont été réalisés. Différentes conditionsde vieillissement ont été étudiées, en fluage à différentes température et contraintes et suivantdifférentes orientations cristallographiques mais également sous chargement cyclique. Lesessais mécaniques ont montré un effet prépondérant de la coalescence orientée surl'écrouissage du matériau, allant dans le sens d'un adoucissement. La coalescence orientée aégalement été modélisée par la méthode des champs de phases. Nous avons proposé uncouplage du modèle champs de phases avec un modèle de comportement de viscoplasticitécristalline afin de prendre en compte l'influence de l'activité plastique dans les couloirs dematrice. Les simulations ont montré une accélération de la cinétique de mise en radeaux due àla 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 dela coalescence orientée passe par la modélisation des effets d'échelle en plasticité. C'estpourquoi nous nous sommes intéressés aux milieux continus généralisés. Nous avons étudiéanalytiquement les effets d'échelle produits par un modèle de Cosserat et le modèle microcurldans le cas d'un matériau biphasé en cisaillement. Les deux modèles prévoient un écrouissagecinématique linéaire dépendant de la taille de la microstructure. Enfin, les développementprécédents et les essais réalisés dans le cadre de ce travail ont permis la construction etl'identification d'un modèle macroscopique étendu qui rend compte des effets de lacoalescence orientée sur le comportement mécanique de l'AM1.Résumé de la thèse en anglais:The framework of this thesis is the modelling and the lifetime prediction of high pressureaeronautical turbine blades. These parts are realized in nickel base single crystal superalloys.This work is focused on the microstructural evolution arising at high temperatures undermechanical loading known as the directionnal coarsening. In a first time, this work consists instudying the mechanical behaviour of the initial non-aged material. Tests have beenperformed at 950°C in order to enrich the available data base. They have allowed us toidentify a hyperbolic sinus viscosity model over a wide range of stain rates. The initialbehaviour has also been studied at the mesoscopic scale. A constitutive model has beenidentified 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 thisapproach. In particular, it does not allow to model the length scale effects observed inplasticity. In the same time, we have studied the directionnal coarsening phenomenon in bothexperimental and numeric ways. Mechanical test after ageing have been realized. Variousageing conditions have been tested, in creep at different temperatures and stresses and alongdifferent cristallographic orientations but also under cyclic loading. Tests have shown aneffect of the directionnal coarsening on the hardening. More precisely, the directionnalcorasening induces a softening of the material behaviour. Directionnal coarsening has alsobeen simulated with the phase field method. We have proposed a coupling between the phasefield model and a viscoplastic crystal plasticity model in order to take into account theplasticity in the evolving matrix channels. Simulations have shown an increase in the kineticsof the rafting evolution induced by plasticity and a more realistic morphology of theprecipitates as observed axperimentally, in particular under cyclic ageing. In order tounderstand the influence of the directionnal coarsening on the mechanical behaviour, lengthscale effects were analyzed in the framework of generalized continuum approaches like theCosserat 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 modelsdeliver a linear kinematic hardening dependant on the size of the microstructure. Finally, theprevious developement and the tests performed during this work allow to propose and identifyan extended macroscopic model which takes into account the effects of the directionnalcoarsening on the machanical behaviour of the AM1 superalloy.