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Etude de l'endommagement d'un superalliage monocristallin en fatigue thermo-mécanique multiaxiale

Bonnand, Vincent (1978-...) ; Chaboche, Jean-Louis ; École nationale supérieure des mines Paris

2006

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  • Titre:
    Etude de l'endommagement d'un superalliage monocristallin en fatigue thermo-mécanique multiaxiale
  • Auteur: Bonnand, Vincent (1978-...)
  • Autre(s) auteur(s): Chaboche, Jean-Louis ;
    École nationale supérieure des mines Paris
  • Sujets: Alliages réfractaires -- Thèses et écrits académiques ;
    Matériaux -- Essais dynamiques -- Thèses et écrits académiques ;
    Méthode élément fini ;
    Endommagement ;
    Propriété thermomécanique ;
    Essai torsion ;
    Essai dynamique ;
    Monocristal ;
    Superalliage ;
    Aube turbine
  • Description: Thèse de doctorat
    Les aubes de turbine en superalliage monocristallin AM1 revêtu C1A sont des pièces soumises à des chargements sévères. L’objectif de ce travail de recherche était de simuler en laboratoire, et de manière contrôlée, les chargements thermiques et mécaniques les plus réalistes possibles, et de vérifier, d’une part, la justesse du modèle de comportement en multiaxial et en non-isotherme, et d’autre part de celle du modèle de prévision de durée de vie. Pour cela, une installation de Fatigue Thermo-Mécanique de traction-torsion a été développée faisant appel à une procédure expérimentale particulière, ce type d’essai consistant à piloter en déformation mécanique lors d’un cyclage thermique (de 650°C à 1100°C dans notre cas). L’anisotropie du monocristal, conduisant à une hétérogénéité de la déformation dans le cas d’une sollicitation de torsion, requiert des simulations par Eléments Finis 3D, pour lesquelles il a été nécessaire de développer dans le code de calcul ZéBuLoN un algorithme de calcul capable d’assurer une bonne correspondance avec l’essai de Fatigue Thermo-Mécanique. Les simulations effectuées avec un modèle de viscoplasticité cristalline sont en bon accord avec l’expérience pour différents chargements mécaniques. Les durées de vie et la localisation de l’amorçage de fissure ont été comparées avec succès avec celles obtenues par un modèle avec interaction fatigue-fluage-oxydation, excepté dans le cas de chargement de torsion à fort niveau. Des essais complémentaires de torsion à 950°C ont également été réalisés en couple imposé. Ceux-ci ont exhibé un phénomène de rochet qui peut sembler a priori surprenant pour un chargement de torsion alternée, et qui a pu être modélisé par l’usage d’une version asymétrique du modèle de comportement. Le dépouillement de ces essais a irrévocablement évoqué une mise en défaut du modèle d’endommagement, et de manière plus marquée que pour les essais anisothermes.
    Turbines blades made out of AM1 C1A coated single-crystal superalloy are components subjected to severe loading. One of the objectives of this research was to simulate these thermal and mechanical loads in a controlled manner under laboratory conditions. Another objective was to assess the accuracy of the constitutive equations in non-isothermal multiaxial conditions, as well as the accuracy of the life time prediction model. An axial-torsional Thermo-Mechanical Fatigue test device was developed based upon a particular experimental procedure, consisting of controlling the mechanical strain during thermal cycling (in our case from 650°C to 1100°C). In the case of a torsional loading, the anisotropy of the single crystal leads to heterogeneity of the deformation. This strain heterogeneity can be modelled by 3D Finite Elements simulations. However, it was necessary to develop a specific calculation algorithm in the ZeBuLoN code in order to assure a good correspondence with the thermo-mechanical test. The numerical simulations were carried out with a model of crystalline viscoplasticity. They are in good agreement with the experiments, for various mechanical loadings : the life durations and the localization of damage (crack initiation) were compared successfully with those obtained by a damage model with interaction fatigue-creep-oxidation interaction, except in the case of loading of torsion at high level where the comparison was less convincing. Complementary torsion tests at 950°C were also carried out with a torque control. They have shown a ratchetting phenomenon that was not expected for an alternated loading in torsion. This was modelled successfully by using an asymmetric version of the constitutive equations. The analysis of these tests clearly contradict the predictions of the damage model, in the isothermal case even stronger than for the anisothermal tests.
  • Date de publication: 2006
  • Format: 1 vol. ( 246 p.) ; 30 cm
  • Langue: Français
  • Source: Mines ParisTech (catalogue)

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