b ) La modélisation de l’intégrité du système

La modélisation de l’intégrité et de l’endommagement du système est un besoin industriel majeur. Superposer des couches dont les propriétés sont différentes les unes des autres n’est pas sans conséquence. Un mauvais dimensionnement peut entraîner la ruine du système sous des conditions de service normales voire accidentelles. La modélisation par éléments finis est un outil puissant pour ce genre d’application. Les problèmes de

35 dégradation rencontrés sont souvent d’origine thermomécanique. Les écarts de coefficient de dilatation et la difficulté d’accommodation mécanique (plasticité ou viscoplasticité) peut amener à différents types de ruines : l’ondulation de surface avec (wrinkling) ou sans décohésion (buckling), la fissuration transverse ou la délamination.

Par exemple, l’écaillage des barrières thermiques est un problème récurrent et déterminant dans le choix des sous-couches. Une barrière thermique déposée sur une aube de turbines est une masse tournante supplémentaire qui n’a pas de vertu mécanique. Sa fonction est d’imposer un gradient thermique correct pour que le substrat opère à une température convenable, plus froide. L’écaillage partiel de ces barrières thermiques amène à la ruine du système du fait de l’échauffement local et de la masse tournante supplémentaire. En service, ce système évolue du fait de l’oxydation. La croissance de la couche d’alumine TGO se fait au détriment de la consommation d’aluminium de la sous couche et de transformation de phase associées (  ’  ). Ces transformations de phases imposent des changements de volume au cours du temps (loi parabolique). Néanmoins, les transformations de phases liées au cyclage thermique sont plus dévastatrices. Le TGO est fragile et son coefficient de dilatation est faible. La phase est plus ductile que les phases ’ et . C’est pourquoi, la prise en compte de ces paramètres évolutifs dans les analyses par éléments finis permet une meilleure estimation des durées de vie de tels systèmes.

Synthèse

Les matériaux fonctionnels représentent un coût considérable en matière première, en procédé et en conception. L’optimisation du dimensionnement des matériaux à gradient de propriétés et la durabilité de ces systèmes requiert une attention particulière. Pour limiter les

campagnes d’essais lourdes et coûteuses, la modélisation numérique est une voie économique et prévisionnelle. Différents niveaux de modélisation sont nécessaires pour une

bonne description de ces systèmes :

Composition chimique + procédé + sollicitations  Microstructure Microstructure + composition chimique  Propriétés locales

Sollicitation + système complet + lois de comportement locales  Propriétés globales, endommagement

37

Chapitre 2:

Le système à gradient de microstructure étudié

« superalliage monocristallin revêtu »

Introduction ... 39 1. Elaboration du système et gradient de microstructure initial (superalliage revêtu) ... 40

1.1. Les superalliages monocristallins ... 40

1.1.a ) Du polycristal au monocristal ... 40 1.1.b ) Elaboration des superalliages monocristallins... 42

1.1.b.i ) Solidification dirigée ... 42 1.1.b.ii ) Traitements thermiques ... 43 1.1.b.iii ) Microstructure et composition chimique : une vision multi-échelle ... 44 1.2. Le revêtement ... 49

1.2.a ) Les revêtements pour pales ... 50 1.2.b ) Elaboration du revêtement ... 51

1.2.b.i ) Le co-dépôt électrolytique de MCrAlY ... 51 1.2.b.ii ) Microstructure et composition chimique « état de réception » ... 51 1.3. La zone d’interdiffusion ... 53

2. Evolutions microstructurales lors de sollicitations à haute température ... 55

2.1. Le superalliage ... 55

2.1.a ) Evolutions dans le volume ... 55

2.1.a.i ) Evolution du paramètre de maille et désaccord paramétrique... 55 2.1.a.ii ) Dissolution des précipités γ’ à haute température ... 55 2.1.a.iii ) Réduction du degré d’ordre dans la phase ’ ... 57 2.1.a.iv ) Germination et croissance de nouvelles phases : les TCP ... 57 2.1.a.v ) Processus de fluage et évolutions morphologiques de la microstructure / ’ ... 58

2.1.b ) Evolutions surfaciques ... 62

2.1.b.i ) Oxydation à haute température : effet du cyclage thermique... 62 2.1.b.ii ) Zone affectée par l’oxydation... 64 2.2. Le revêtement ... 64

2.2.a ) Evolutions microstructurales : oxydation et interdiffusion ... 64 2.2.b ) Oxydation à haute température ... 65

2.3. La zone d’interdiffusion ... 66

3. Comportement mécanique des différentes strates du système ... 70

3.1. Comportement en traction ... 71 3.1.a ) Le superalliage ... 71 3.1.b ) Le revêtement ... 72 3.2. Comportement en fluage ... 73 3.2.a ) Généralités ... 73 3.2.b ) Le superalliage ... 74 3.2.c ) Le revêtement ... 74 3.2.d ) Le système MC2 revêtu NiCoCrAlYTa ... 75

3.3. Dilatation thermique ... 75

4. Echelles microstructurales des différentes strates du système et impact microstructural et

comportemental ... 77

4.1. Le superalliage ... 77 4.2. Le revêtement ... 79

4.2.a ) Particules de CrAlYTa ... 79 4.2.b ) Porosité ... 79 4.2.c ) L’alumine de sablage ... 79

39

Introduction

L’un des objectifs de cette thèse est de statuer sur la faisabilité de caractériser mécaniquement un système à gradient de propriétés à partir d’essais réalisés indépendamment sur les différentes strates constitutives de ce système. Le système support à notre étude est un superalliage monocristallin, sur lequel est déposé un revêtement métallique de protection. Plus précisément, nous avons étudié le superalliage MC2 revêtu d’une couche d’alliage NiCoCrAlYTa par co-dépôt électrolytique. Ce système est couramment employé dans les turbines à gaz aéronautiques ou terrestres. Il est notamment utilisé par Turbomeca-SAFRAN pour les aubes de turbines haute pression (HP) des moteurs d’hélicoptères.

Le superalliage MC2 a été développé par l’ONERA [181, 182] dans le but de répondre aux attentes de Turbomeca-SAFRAN quant aux propriétés de résistance au fluage et à la fatigue, à des températures comprises entre 600 et 1100°C. Les aubes de turbines se composent de deux parties : une partie en forme de pied de sapin¹ par laquelle elles sont assemblées au disque de turbines et un profil d’aube². Ces aubes sont soumises à deux types de sollicitations mécaniques critiques. Les pieds de sapin sont soumis à de la fatigue alors que les profils d’aubes sont plutôt sollicités en fluage. Dans notre cas, nous allons nous intéresser au profil d’aube. Celui-ci subit principalement un effort constant de traction suivant l’axe principal de l’aube, dû à la force centrifuge, provoquant le fluage de la pièce. La pièce est également soumise à des températures élevées, qui, combinées au caractère oxydant (O2) et corrosif (NaCl, SO2) de son environnement, entraînent une dégradation du système. Cette dégradation peut être sévère (Figure 2-1) en service et engendrer une diminution de ses propriétés mécaniques [4, 5, 34-37, 40, 183-185].

Figure 2-1 : Illustration de l'effet de la corrosion sur une pale nue (gauche) et sur une pale revêtue (droite) après 2500h de vol en zone marine à basse altitude [186]

L’emploi d’un revêtement NiCoCrAlYTa permet l’amélioration de la résistance aux attaques environnementales (oxydation haute température et corrosion à basse et moyenne température). Sa fonction est surfacique : protéger le superalliage des agressions

1

Le pied de sapin correspond à la partie basse de l’aube. De par sa forme, il assure la fixation de l’aube au disque de turbine

2

Le profil d’aube correspond à la partie supérieure de l’aube. Elle assure la conversion énergétique de la poussée des gaz de combustion en rotation du rotor

40

environnementales. Le superalliage a, quant à lui, une fonction volumique : apporter la résistance mécanique nécessaire à haute température. Pour autant, le revêtement est un apport de matière supplémentaire ; une masse tournante, à priori considérée comme non porteuse de l’effort mécanique.

Le revêtement et le substrat vont interdiffuser à haute température. La microstructure et la composition chimique du substrat vont ainsi être modifiées sur quelques dizaines de micromètres. La question de l’influence de ce dépôt sur la réponse mécanique du système complet à haute température se pose [1, 184, 187-193]. L’objectif de cette nouvelle étude est d’apporter un moyen permettant de quantifier les évolutions locales du comportement mécanique de ce système. Cette revue bibliographique présentera le système MC2/NiCoCrAlYTa depuis son élaboration jusqu’à ses évolutions en conditions représentatives des sollicitations en service. Nous décrirons les dégradations de chacune des couches du système en fonction du temps, à savoir :

- la zone substrat (Z.S.), c’est-à-dire le MC2 à cœur ;

- le revêtement (Z.R.), soit le NiCoCrAlYTa initialement déposé ;

- la zone d’interdiffusion (Z.I.) qui est le fruit de l’interdiffusion des deux

premières couches, et le siège de nombreuses hétérogénéités

microstructurales.

La microstructure de la zone d’interdiffusion va être gouvernée par la microstructure et la composition chimique à la fois du revêtement et du substrat. Les hétérogénéités de chacun des matériaux vont se répercuter sur la microstructure de cette zone de mélange.

1. Elaboration du système et gradient de microstructure initial (superalliage