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Quantification de la cinétique d'oxydation cyclique d'alliage alumino-formeur : modélisation Monte Carlo de l'écaillage et mise au point d'un nouvel appareil de thermogravimétrie cyclique.

Sureau, Sandrine (2006) Quantification de la cinétique d'oxydation cyclique d'alliage alumino-formeur : modélisation Monte Carlo de l'écaillage et mise au point d'un nouvel appareil de thermogravimétrie cyclique. (Quantification of cyclic oxidation kinetics of alumina former alloys. Spalling Monte Carlo modelling and development of a new cyclic thermogravimetry apparatus.)

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Abstract

Afin d'améliorer les performances des turbines à gaz, par exemple, il est nécessaire de comprendre les mécanismes de détérioration qui ont lieu pendant leur utilisation. Certaines pièces mécaniques constituant ces turbines, telles que les aubes, sont soumises à des chargements mécaniques et thermiques cycliques. Les matériaux utilisés sont des superalliages à base nickel, car leurs propriétés mécaniques leur permettent de résister aux chargements mécaniques. Cependant, elles ne leur permettent pas de résister aux chargements thermiques, c'est pourquoi ces matériaux sont revêtus avec des alliages alumino-formeurs à base de NiPtAl. Ces revêtements ont une faible cinétique d'oxydation à haute température et forment un oxyde protecteur, très adhérent qui s'écaille peu. Pour caractériser le comportement de ces matériaux et comparer leurs performances, des essais d'oxydation cyclique et isotherme doivent être effectués dans des conditions proches de celles d'utilisation. De plus, de façon à pouvoir classer ces revêtements en fonction de leur utilisation, deux paramètres, la cinétique d'oxydation parabolique et la probabilité d'écaillage, déterminés par simulation numérique, sont utilisés. Les travaux de thèse présentés ici sont consacrés dans un premier temps au développement d'un nouvel appareillage de thermogravimétrie permettant de mesurer de façon continue la masse avec des vitesses de chauffe et de refroidissement rapide. Le montage et la qualification de l'appareil constituent la première étape des travaux. En parallèle, deux monocristaux massifs de NiPtAl, avec des teneurs en soufre différentes, ont été testés à 1150°C sous air synthétique en oxydation isotherme et cyclique. Enfin, nous nous sommes intéressés à la simulation numérique de l'oxydation cyclique basée sur une approche Monté Carlo. Ce modèle permet de déterminer de manière automatique la cinétique d'oxydation et la probabilité d'écaillage à chaque cycle à partir des courbes expérimentales. En comparant les résultats numériques et expérimentaux obtenus sur un alliage modèle (pour le NiPtAl à 1150°C l'oxyde formé est alumine alpha) nous allons pouvoir vérifier la validité de notre modèle. ABSTRACT : In order to improve the performances of the gas turbines, for example, it is necessary to understand the mechanisms of deterioration which take place during their use. Machine parts constituting these turbines, such as the aubs, are subjected to mechanical and thermal cyclic loadings. The materials used are nickel base superalloys, because their mechanical properties enable them to resist the mechanical loadings. However, they do not enable them to resist the thermal loadings, this is why these materials are covered with alloys alumino-formers containing NiPtAl. These coatings have weak kinetics of oxidation at high temperature and form a protective and adherent oxide layer. To characterize the behavior of these materials and to compare their performances, of the tests of cyclic and isothermal oxidation must be carried out under conditions close to those of use. Moreover, in order to be able to classify these coatings according to their use, two parameters, the kinetics of parabolic oxidation and the probability of spalling, determined by digital simulation, are used. Work of thesis presented here is devoted initially to the development of a new equipment of thermogravimetry making it possible continuously to measure the mass with speeds of heating and fast cooling. The assembly and the qualification of the apparatus constitute the first stage of work. In parallel, two massive monocrystals of NiPtAl, with different sulphur contents, were tested with 1150°C under synthetic air in isothermal and cyclic oxidation. Lastly, we were interested in the numerical simulation of the cyclic oxidation based on an approach Monté Carlo. This model makes it possible to determine in an automatic way the kinetics of oxidation and the probability of chipping to each cycle starting from the experimental curves. By comparing the numerical and experimental results obtained on an alloy models (for NiPtAl with 1150°C the formed oxide is alumina alpha) we will be able to check the validity of our model.

Department:Centre Interuniversitaire de Recherche et d'Ingénierie des Matériaux - CIRIMAT (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Monceau, Daniel
Uncontrolled Keywords:Oxydation cyclique - Quantification écaillage - Alliages alumino-formeurs - Simulation numérique - Thermogravimétrie
Subjects:Materials science > Materials deterioration : corrosion, oxidation
Deposited On:20 February 2007

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