REMEDDIES — Relation Entre Microstructure, Etats de contrainte et Durée De vIE de Superalliages

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).