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Comportement à haute température du superalliage Udimet 720 élaboré par Métallurgie des Poudres et optimisé pour la tenue en fluage

Terzi, Sofiane (2006) Comportement à haute température du superalliage Udimet 720 élaboré par Métallurgie des Poudres et optimisé pour la tenue en fluage. (High temperature behaviour of a creep resistant Powder Metallurgy superalloy Udimet 720.)

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Abstract

Le développement des réacteurs nucléaires « haute température » fonctionnant à cycle direct sous hélium implique de nouvelles exigences pour les matériaux de structure du réacteur. Ainsi les disques de turbine de diamètre 1,3 m sont sollicités à 700°C pendant 60000 h sans maintenance. L'alliage Udimet 720, par ses propriétés intrinsèques et par son usage courant dans l'industrie aéronautique, constitue un bon candidat à la condition expresse de pouvoir fabriquer de grands disques avec l'homogénéité microstructurale requise. Pour ces disques de grand diamètre, l'élaboration par Métallurgie des Poudres (MdP) apparaît comme une voie prometteuse pour la fabrication des demi-produits sans macroségrégation. Cependant ce procédé ne permet pas d'obtenir une taille de grain suffisante pour répondre au cahier des charges en fluage. Dans cette perspective, un cycle de Compression Isostatique à Chaud (CIC) découplé en température et pression a été appliqué à la poudre. On obtient une microstructure présentant une taille de grain supérieure à celle de l'Udimet 720 MdP consolidé par un cycle de CIC conventionnel. L'objectif de cette thèse est d'étudier le comportement à haute température de cet alliage. Les observations par microscopie ont révélé une structure composée de grains fins d'une taille d'environ 20 5m associée à des gros grains dont la taille peut atteindre 80 5m, répartis de façon homogène. Les observations ont également montré que la majorité des joints de grains ne sont pas contigus avec les frontières des anciennes particules de poudre (PPB pour Prior Particles Boundaries). Par ailleurs, l'application de traitements thermiques post-CIC conventionnels permet d'obtenir une précipitation g' composée de deux populations de précipités de tailles différentes. L'étude des propriétés à haute température de l'alliage a révélé un comportement en fluage à 700°C et 750°C proche de celui d'une nuance forgée à gros grains et donc une résistance en fluage fortement augmentée par rapport à l'Udimet MdP consolidé par un cycle de CIC conventionnel. L'accroissement du temps à rupture observé en fluage est attribué d'une part au découplage des joints de grains avec les PPB, diminuant ainsi le nombre de sites d'endommagement, et d'autre part à l'augmentation de taille de grain limitant la déformation par glissement intergranulaire. Dans la gamme de contraintes prospectée, les résultats ont montré que la vitesse de déformation est contrôlée par des mécanismes de déformation dislocationnels avec principalement du contournement d'Orowan. La déformation à haute température de l'alliage étudié a été modélisée. Le modèle utilisé est basé sur l'évolution de la densité de dislocations. La valeur des différents paramètres mis en jeu a été estimée ou encadrée à partir des caractéristiques physiques de l'alliage puis ajustée sur la partie primaire et secondaire de trois courbes de fluage. Le jeu de paramètres obtenu a ensuite été employé pour simuler les courbes de fluage aux différentes contraintes ainsi que les courbes de traction à trois vitesses de déformation différentes. Les résultats ont montré que le modèle décrit bien le fluage primaire et secondaire du matériau ainsi que la traction à basse vitesse. Ce modèle nous a permis de prévoir le comportement en fluage du matériau quand la précipitation g' est modifiée par une variation des traitements thermiques post-CIC. ABSTRACT : Superalloy Udimet 720 is considered for the fabrication of high temperature turbine disks for nuclear Helium cooled reactor. The Powder Metallurgy (P/M) route appears as a promising route to manufacture semi-finished product without macrosegregations but with a very fine grains size that is not easily coarsened by conventional supersolvus heat treatment. In this study, we have developed a P/M coarse grain U720 with improved creep resistance. A specific HIP (Hot Isostatic Pressing) cycle has been applied to the powder to coarsen the grain over the Prior Particle Boundaries (PPB). A subsequent high temperature heat treatment is then applied to increase the grain size up to 80 µm. Creep tests conducted at 700°C and 750°C on this microstructure showed a behavior close to a coarse grain cast and wrought grade with a creep resistance highly improved when compared to a classical P/M grade. A creep model based on physical parameters has been developed to describe the behavior of the material.

Department:Centre Interuniversitaire de Recherche et d'Ingénierie des Matériaux - CIRIMAT (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Viguier, Bernard
Additional Information:Prix SF2M Bodycote 2006 : http://www.sf2m.asso.fr/Prix-medailles/bodycote.htm
Uncontrolled Keywords:Réacteurs haute-température - Fluage - Superalliage - Dislocations - Disque de turbine – Relaxation - Modélisation - Précipités gamma prime
Subjects:Materials science
Deposited On:01 December 2006

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