Projet ANR-13-BS09-0016 – REMEDDIES : Relation Entre Microstructure, Etats de contrainte et Durée De vIE de Superalliages
Programme : Blanc - SIMI 9 - Sciences de l'Ingénierie, Matériaux, Procédés, Energie (Blanc SIMI 9)
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Monsieur Mathieu FÈVRE (Laboratoire d'Etude des Microstructures)
Partenaires : Institut Jean Lamour; Laboratoire d'Étude des Microstructures
Montant : 325000.0 euros
Durée : 48 mois
Résumé : REMEDDIESRelations entre la microstructure, les contraintes internes et la durée de vie en fatigue d'un superalliage à base de nickel
Enjeux et objectifsLe procédé de grenaillage des pièces mécaniques est couramment utilisé pour améliorer leur durée de vie lorsqu’elles sont soumises à des sollicitations thermomécaniques. Dans le cas des superalliages pour disques de turbines aéronautiques, on se demande si ce traitement mécanique est réellement bénéfique au vu de leurs sollicitations en cours de service. Dans ce projet, il s’agit d’étudier la relation entre la microstructure du matériau N18, les niveaux de contraintes résiduelles introduits par le procédé de grenaillage et la durée de vie en fatigue d’éprouvettes représentatives du disque de turbine. Afin de dégager des tendances, 4 microstructures modèles sont étudiées. Elles diffèrent par leur taille moyenne de grains (~0,05 mm et ~0.1mm) et leur taille moyenne de précipités  gamma prime (~200 nm et ~2000 nm). Le programme de recherche consiste à générer les microstructures, grenailler des échantillons, déterminer des profils de niveaux de contraintes résiduelles, réaliser des essais de fatigue oligocycliques à différentes températures. Un volet numérique est aussi mis en place afin d’introduire les niveaux de contraintes mesurés sur des échantillons de géométrie simple dans un code de calcul permettant de modéliser le comportement de pièces mécaniques possédant des géométries plus complexes et de prévoir leur durée de vie.      La détermination des niveaux de contraintes résiduelles par diffraction des rayons X dans des matériaux où la taille de grain n’est ni petite (quelques micromètres), ni grande (de l’ordre de millimètre) est le point ambitieux du projet et demande un travail de développement. 
Approches mises en oeuvre- Les microstructures sont développées spécifiquement pour ce projet à partir de traitements thermiques sur des échantillons prélevés dans une  ébauche d'un disque de turbine fourni par SNECMA (groupe Safran).- La méthode des sin²psi  est utilisée en laboratoire et la microdiffraction Laue au synchrotron afin de déterminer les niveaux de contraintes dans des échantillons ayant subi différents traitements thermiques et mécaniques (grenaillage, fatigue et maintiens isothermes).- Des essais de traction et de fatigue oligocyclique sont réalisés sur les différentes microstructures afin d'identifier leur comportement mécanique et de déterminer leur durée de vie pour différents niveaux de sollicitations.- Les niveaux de contraintes résiduelles déterminés expérimentalement sur des échantillons grenaillés sont introduits dans une modélisation de type éléments finis. Leur relaxation en fonction de la température et du nombre de cycles de fatigue est calculé et comparé aux mesures.
Résumé de la soumission : Ce projet de recherche est consacré à l’étude de l’influence de contraintes résiduelles introduites par le procédé de grenaillage sur la durée de vie de disques de turbomachines aéronautiques, constitués de matériaux polycristallins du type superalliage sollicités dans une gamme de température comprise entre l'ambiante et 700°C. Les deux sources de contraintes résiduelles que nous souhaitons analyser finement sont les contraintes d'origine mécanique introduites lors du grenaillage de la surface des pièces, destiné à retarder l’amorçage des fissures sous sollicitation en fatigue,  et celles d'origine thermique liées aux différences de dilatation thermique entre les phases gamma et gamma prime. Le programme de recherche s’appuie sur les connaissances acquises en France depuis les années 1980 sur l’alliage N18 lors de travaux de recherche et du processus de développement industriel de cet alliage. 	L’objectif du projet est d’analyser finement la relation entre les caractéristiques microstructurales de l’alliage biphasé gamma et gamma prime (taille de grains, taille des précipités),  l’état de contrainte interne (micro et macrocontraintes) et la durée de vie sur un ensemble d’échantillons assez large pour dégager des tendances qui permettront de comprendre des mécanismes physiques élémentaires et de développer de nouveaux alliages plus résistants aux sollicitations thermo-mécaniques complexes qu'ils subissent durant leur service. Le point clé du projet concerne la détermination des contraintes résiduelles par diffraction des rayons X dans des alliages dont la taille de grain n'est ni petite, ni grande (50 et 100 micromètres envisagé ici). Les techniques de mesures ne sont pas standardisées et font appel à des méthodes expérimentales singulières en laboratoire et/ou dans les grands instruments (synchrotrons). Les différents niveaux de contrainte mesurés seront par ailleurs intégrés dans des modèles d’endommagement en fatigue permettant la prévision de la durée de vie de pièces de géométrie complexe. Ce travail de recherche est ambitieux car il se place aux limites de l'état de l'art et parce qu'il est basé sur une approche de type système impliquant des aspects de physique fondamentale, de métallurgie, d'ingénierie des matériaux, de mécanique et de modélisation, et enfin parce qu'il concerne des matériaux à forte valeur ajoutée, mis en œuvre dans un secteur industriel concurrentiel au niveau international.	Le programme de recherche consiste à générer quatre types de microstructures sur des éprouvettes d'étude (2 tailles de grain et 2 microstructures intragranulaires) dont une partie sera grenaillée. Des essais mécaniques cycliques interrompus et menés jusqu'à rupture seront ensuite réalisés à 450°C et 650°C, l'objectif étant d'observer l'influence de la microstructure et de l'état de contrainte sur les courbes de durée de vie mais aussi de calibrer les modèles numériques de comportement et de durée de vie en fatigue associés à chaque type d'échantillon. En parallèle, des mesures par diffraction des rayons X en utilisant la méthode des "sin²?"et la méthode dite "monocristalline", seront mises en œuvre afin de déterminer l’état de contrainte initial dans l’épaisseur des différents types d'échantillons et de suivre l'évolution des différents profils en fonction du nombre de cycles lors des essais en température. Les mesures présentées ci-dessus seront complétées par des analyses microstructurales post mortem et in situ permettant notamment de caractériser finement le profil de grenaillage, les phases en présence, ainsi que le paysage associé de dislocations (utilisation de microscopes électroniques à balayage et à transmission instrumentés à chaud en plus des instruments de caractérisation conventionnels de la métallurgie).
Résultats : - les paramètres des traitements thermiques nécessaires à l'obtention de microstructures  les plus homogènes possibles en termes de taille de grains et de taille de précipités ont été définis pour l'alliage N18. La principale difficulté a été d'éviter la croissance préférentielle de certains grains (croissance anormale) dans un alliage où la température de solvus des précipités gamma prime primaires et la température de brulure de l'alliage ne sont séparées que par une quinzaine de degrés.  Pour la suite de l'étude, nous avons retenu des microstructures avec une taille de grain moyenne de 40 et 80 micromètres et des tailles de précipités de  200 et 2000nm.
- Des mesures de contraintes résiduelles ont été réalisées en laboratoire et au synchrotron sur des échantillons de référence et grenaillés dont la taille de grain moyenne est voisine de 50 micromètres.  Pour les échantillons non grenaillés, nous avons réussi à déterminer des niveaux de contraintes résiduelles avec la méthode des sin²psi en laboratoire lorsque la zone irradiée par le faisceau incident sur la surface de l'échantillon possède une surface d'au moins 10mm². Cette taille n'est compatible qu'avec des échantillons possédant une surface plate, en aucun cas avec la surface courbée d'éprouvettes de fatigue de 6mm de diamètre. Deux campagnes de mesure ont été réalisées au synchrotron à Grenoble. La première a consisté à réaliser un essai mécanique in situ pour différentes températures sur des échantillons non grenaillés afin de déterminer les constantes élastiques radiocristallographiques. La seconde a consisté à réaliser des cartographies de champs de contraintes et de déformations sur des sections d’éprouvettes grenaillées et non grenaillées en utilisant la technique de la microdiffraction Laue. L'analyse préliminaire des données montre qu'il est possible de déterminer naturellement l'orientation des grains ainsi que les composantes du tenseur déviatorique à l'intérieur des grains ou d'un grain à l'autre.
Perspectives : La prochaine phase du projet sera consacrée à l’obtention de profil de contraintes résiduelles en fonction de la profondeur pour les quatres microstructures définies plus haut d’une part et à la caractérisation expérimentale de leur état mécanique d’autre part. L’analyse fine des données obtenues par microdiffraction Laue au synchrotron sera poursuivie afin de savoir comment les contraintes de grenaillages s’installent dans et entre les grains de l’alliage. L’exploitation des gradients de rotation devrait aussi permettre de quantifier les densités de dislocations géométriquement nécessaires (GND).
Publications et brevets : Pas de productions scientifiques et brevets