De nombreuses études ont permis de développer des modèles de plasticité cristalline rendant compte de l’anisotropie d’un monocristal. Les matériaux à solidification dirigée (DS) peuvent être simulés avec des modèles semblables, sous réserve de connaître la morphologie et l'orientation cristallographique des grains contenus dans la pièce. Pour éviter ces analyses microstructurales coûteuses, il est possible de développer des approches, déterministes ou analysant les dispersions de la réponse sur un lot de << pièces synthétiques >> résolues par la méthode des éléments finis. Dans cette étude, nous avons tenté d'apporter les outils nécessaires aux deux types de modélisation. Avant tout, un modèle du monograin de DS200+Hf a été identifié pour une gamme de température allant de l’ambiante à 1200°C. Ensuite, plusieurs montées d'échelle ont été envisagées, d'abord sur un volume élémentaire représentatif (VER) puis sur une structure tridimensionnelle (éprouvette cruciforme). Sur le VER, la réponse de plusieurs modèles micromécaniques a été confrontée à des calculs de référence utilisant la méthode des éléments finis. Puis, le comportement mécanique d'une éprouvette cruciforme en DS200+Hf a été étudié, en réalisant des essais expérimentaux biaxiaux qui, ensuite, ont permis d'évaluer les prévisions du modèle. Ces résultats amènent à s'interroger sur la modélisation adaptée aux structures oligogranulaires (i.e. constituées d’un faible nombre de grains) : faut-il mailler explicitement l'échelle locale (les grains) dans la structure ou malgré la non-séparabilité des échelles, le modèle homogénéisé continue-t-il de fournir des résultats satisfaisants ? / Various studies were aimed at developing crystal plasticity models to account for the anisotropic mechanical behaviour of single crystals. Directionally solidified (DS) materials can be modeled using such approaches, taking into account the underlying crystallographic structure. It requires the knowledge of the position, shape and crystallographic orientations of grains. To prevent heavy microstructure analyses, other models have to be developed for industrial calculations, using homogenization theory or considering a batch of synthetic pieces calculated using Crystal Plasticity Finite Elements Method (CPFEM). The aim of this thesis is to bring computational tools to carry out the two types of modeling for industrial applications. First of all, a crystal plasticity model for one grain of DS200+Hf is defined ranging from room temperature to 1200°C. Some scale transition rules, using full-field or mean-field approaches, are studied first in the theoretical case of a representative volume element (RVE) and then on tri-dimensional structures in order to access overall and local responses. For the RVE responses, micromechanical models are compared with a reference produced by CPFEM for various loadings. Moreover, the mechanical behaviour of a DS200+Hf cruciform specimen is studied. Biaxial tests with digital image correlation allow us to check the model predictions. These results raise questions about the modeling of oligogranular structures (i.e. with a small number of grains): should it be accepted that the local scale must be explicitly meshed, or, despite the fact that scale separability is not ensured, can we consider that the homogenized model still produces reliable results?

High strength nickel-base superalloys have been used in turbine blades for many years because of their superior performance at high temperatures. In such environments superalloys have limited oxidation and corrosion resistance and to solve this problem, protective coatings are deposited on the surface. The positive effect of coatings is based on protecting the surface zone in contact with hot gas atmosphere with a thermodynamically stable oxide layer that acts as a diffusion barrier. During service life, mechanical properties of metallic coatings can be changed due to the significant interdiffusion between substrate and coating. There are also other degradation mechanisms that affect nickel-base superalloys such as low cycle fatigue, thermo-mechanical fatigue and creep. The focus of this work is on a study of low cycle fatigue and out-of-phase thermo-mechanical fatigue behaviour of three uncoated and coated nickel-base superalloys. Polycrystalline IN792 and two single crystals CMSX-4 and SCB were coated with four different coatings; an overlay coating AMDRY997 (NiCoCrAlYTa), a platinum aluminide modified diffusion coating RT22 and two innovative coatings with a NiW interdiffusion barrier in the interface called IC1 and IC3. A low cycle fatigue and thermo-mechanical fatigue device was designed and set-up to simulate service loading of turbine blades and vanes. The low cycle fatigue tests were run at 500oC and 900oC while the thermo-mechanical fatigue tests were run between 250oC and 900oC.To simulate long service life, some coated specimens were exposed at 1050oC for 2000 h before the tests. The main conclusions are that the presence of the coatings is, in most cases, detrimental to LCF lives of the superalloys at 500oC while the coatings do improve the LCF lives of the superalloys at 900oC. Under TMF loading conditions, the coatings have negative effect on the lifetime of IN792. On single crystals, they are found to improve TMF life of the superalloys, especially at lower strains. The tests also indicate that long-term aging influences the fatigue and fracture behaviour of coated superalloys by oxidation and diffusion mechanisms when compared to non-aged specimens. The aged specimens exhibit longer life in some cases and shorter life during other test conditions. Fatigue cracks were in most cases initiated at the surface of the coatings, growing transgranularly perpendicular to the load axis.

In this thesis, we pursue a simulation-based approach whereby microstructure-sensitive finite element simulations are performed within a statistical perspective to examine the VHCF life variability and assess the surface initiation probability. The methodology introduced in this thesis lends itself as a cost-effective platform for development of microstructure-property relations to support design of new or modified alloys, or to more accurately predict the properties of existing alloys.

Aujourd’hui, la fabrication additive de pièces métalliques par le procédé EBM (fusion sélective par faisceau d’électrons) concerne essentiellement les alliages de titane et les alliages cobalt-chrome. Une forte demande du secteur aéronautique pousse à étudier la possibilité d'étendre les champs d’application de ce nouveau procédé d'élaboration à d'autres matériaux à haute valeur ajoutée, notamment les superalliages base Nickel.Après la caractérisation des poudres et la description des particularités du procédé EBM (mise en œuvre, paramètres, thermique…), ce travail s'est attaché à développer une méthodologie permettant de structurer l’utilisation d’un nouveau matériau par EBM. Cette méthodologie a dans un premier temps été validée sur un superalliage base Nickel soudable: l'inconel 625.La mise en œuvre d’un superalliage non-soudable a révélé une problématique de fissuration à chaud. Une partie du travail de thèse a été consacrée à la compréhension de l'origine de la fissuration à partir de caractérisations microstructurales multi-échelles. L'étude de la genèse des microstructures et des défauts hérités de la fabrication a permis de proposer des règles de fabrication afin de limiter, et même d'éviter complètement la fissuration. Une adaptation des paramètres opératoires et des stratégies de fusion lors du procédé EBM est utilisée pour générer des microstructures présentant des structures de grains différentes allant de structures équiaxes jusqu'à la fabrication de monocristaux en passant par des structures colonnaires de différentes tailles.Le couplage entre un modèle de solidification prédisant la transition colonnaire-équiaxe et des simulations éléments finis permettant de quantifier les gradients thermiques et les vitesses de solidification a permis d’établir des liens entre les paramètres procédé et les microstructures résultantes. / Over the last decade, new processing routes based on additive manufacturing (AM) have emerged. Among the AM processes, Electron Beam Melting (EBM) was mainly dedicated to the fabrication of components made of titanium or chromium-cobalt alloys. Aeronautic industry has been a driving force to investigate the possibility to extend the EBM process to other materials and in particular to Ni-based superalloys.The first objective of this work was to develop a methodology to rationalize the use of a new material in the EBM machine. This can be achieved by studying the main characteristics of the EBM process: powder requirements, melting parameters and strategies, thermal aspects.... The methodology was first validated on a weldable Ni-based superalloy: the Inconel 625 grade.The methodology was then extended to the fabrication of a non-weldable Ni-based superalloy, i.e. a grade containing a large fraction of the γ' strengthening phase. Processing such non-weldable superalloys by EBM usually induced cracks in the fabricated components. The microstructures were characterized in order to identify the mechanism at the origin of the cracks. Understanding the mechanism responsible for the development of cracks has allowed to propose new melting strategies limiting or completely avoiding the formation of cracks.Adjusting melting parameters and strategies turns out to be an efficient way for tailoring the grain structure. Equiaxed grains, columnar grains with different sizes as well as single crystals can thus be generated with suitable process parameters.Finally, coupling a solidification model predicting the equiaxed/columnar transition and finite element calculations quantifying the magnitude of the thermal gradient and solidification velocity allowed to establish some links between microstructures and EBM melting parameters.

Tato práce obsahuje přehled superslitin na bázi niklu, jejich obrábění za vysokého tlaku chladicí kapaliny, týká se také metod optimalizace pro tento typ obrábění a následné analýzy opotřebení nástroje. Tato studie byla vytvořena ve spolupráci se společností Safran, experimentální část byla zrealizována ve výrobním závodě Evry-Corbeil ve Francii. Experimentální část práce se týká optimalizace řezných podmínek pro vnitřní hrubovací soustružení součástí pro letecký průmysl za vysokého tlaku chladicí kapaliny. Cíle práce byly následující: srovnání rozdílných vyměnitelných břitových destiček dodaných společností Safran, návrh hrubovacích strategií a určení optimálních podmínek pro každou z vybraných strategií. Byly uvažovány dvě rozdílné strategie: soustružení s konstantním posuvem a šířkou záběru ostří a tzv. „ramping“. Pro každou ze strategií byla provedena operace čelního a podélného soustružení. Výsledky byly porovnány na základě ekonomického a produktivního kritéria.

Les procédés existant pour la fabrication de sous-couches et de systèmes barrière thermique pour les aubes mobiles des turbomachines sont complexes, onéreux, et, de leur reproductibilité dépend la durée de vie de ces systèmes. Cette étude montre la faisabilité d'obtention de sous-couches γ-Ni + γ'-Ni3Al enrichies en platine et de systèmes barrière thermique complets, par l'utilisation du procédé de Spark Plasma Sintering (SPS). Les paramètres du procédé SPS (pression, durée, température et nombre de paliers) ont été ajustés afin de fabriquer les différents types de systèmes. Des améliorations ont été apportées à l'outillage, en vue notamment de mieux appréhender la température de la pièce lors du cycle thermique et, d'empêcher la formation de carbures. Les propriétés microstructurales des revêtements obtenus sont caractérisées et mises en relation avec les paramètres d'élaboration. De plus, les propriétés d'usage (cinétique d'oxydation, résistance au cyclage thermique et à la corrosion par les aluminosilicates fondus, CMAS, conductivité thermique) ont été évaluées. Un large domaine de composition de sous-couches a pu être exploré, notamment par l'addition, par pulvérisation cathodique, d'éléments réactifs (Hf, Y, Si) et d'autres éléments (Ag, Au, Cu) ayant un effet sur le domaine de stabilité de la phase γ'. La possibilité de réaliser des systèmes barrière thermique mono et bi-couches céramiques en une seule étape par le procédé SPS est également démontrée. Un mode d'endommagement spécifique des systèmes barrière thermique élaborés par SPS a été mis en évidence lors d'essais de cyclage thermique et interprété avec l'aide de simulations numériques par éléments finis. Les nombreuses compositions et architectures réalisées au cours de cette étude, sont un encouragement à poursuivre les améliorations apportées au procédé pour l'obtention de systèmes plus complexes et plus fiables. / Fabrication of bond coatings and thermal barrier coating systems for aircraft engine turbine blades and vanes, rely on complex and costly processes, and the lifetime of the systems highly depends on their reproducibility. This work demonstrates the feasibility of platinum rich γ-Ni + γ'-Ni3Al bond coatings and complete thermal barrier coating systems using the Spark Plasma Sintering (SPS) process. Processing parameters (pressure, number, temperature and duration of dwells) have been finely tuned to fabricate the different types of systems. Some necessary adjustments to the equipments have been made to prevent the specimens from pollution, and to better control the samples temperature, and are discussed. The microstructure characteristics and their relation with process parameters have been investigated. Properties such as oxidation kinetics, thermal cycling resistance and CMAS (molten aluminosilicate) corrosion are evaluated. Physical vapor deposition have been used for bond coat doping with reactive elements (Hf, Y, Si) and elements that extend the γ' phase stability domain (Au, Ag, Cu). The possibility to fabricate complete thermal barrier coating systems with a mono or a bi-ceramic top coat layer in a single step is demonstrated. SPS thermal barrier coating systems exhibit a singular spalling behavior during thermal cycling. A finite-element numerical model has been developed and allows its understanding. The versatility of the SPS process has allowed the fabrication of a large number of bond coat compositions and thermal barrier coatings architectures. There is a strong incentive in developing this process for fabricating more reliable and competitive systems.

A superliga policristalina à base de níquel MAR-M247 foi desenvolvida na década de 70. Sua ótima composição, estabilidade microestrutural, excelente resistência à fluência e à oxidação e boa resistência à corrosão a quente faz dessa superliga uma das mais utilizadas em rotores durante os últimos 20 anos. Os objetivos do presente trabalho são a produção e caracterização microestrutural e mecânica de rotores da superliga MARM247 (10% peso Co, 10W, 8.25Cr, 5.5Al, 3Ta, 1.5Hf, 1Ti, 0.7Mo, 0.15C, 0.05Zr, 0.015B, Ni balanço). Os rotores foram obtidos pela técnica de microfusão por cera perdida na empresa Açotécnica S.A. (Jandira/SP) em diferentes temperaturas de vazamento e isolamento do molde cerâmico. Os materiais foram analisados por microscopia ótica e eletrônica de varredura (MEV/EDS), análise térmica diferencial (DTA), macro/microdureza e ensaios de tração convencional a 25oC e a 760oC. Além disso, os materiais passaram por tratamentos térmicos de solubilização e envelhecimento em diferentes temperaturas e tempos a fim de avaliar as mudanças microestruturais. Com a ajuda do software de cálculo termodinâmico Thermocalc foram feitas simulações das relações de fases utilizando a composição média da superliga MAR-M247. Os resultados permitiram obter uma condição de processamento (temperatura de vazamento e condição de isolamento) com maior quantidade de peças sem defeitos. Além disso, os experimentos permitiram definir uma condição ideal para o tratamento térmico de solubilização da superliga MAR-M247. / The polycrystalline nickel-based superalloy MAR-M247 was developed in the 1970s. Its optimal alloy composition, microstructural stability, excellent resistance to creep and oxidation and good resistance to hot corrosion make the MAR-M247 superalloy one of the alloys widely used in turbine rotors during the last 20 years. The aims of the present work are the production and the microstructural and mechanical characterization of rotors made of MAR-M247 superalloy (10 wt. % Co, 10W, 8.25Cr, 5.5Al, 3Ta, 1.5Hf, 1Ti, 0.7Mo, 0.15C, 0.05Zr, 0.015B, Ni balance). The rotors were produced by using the lost-wax technique at different pouring temperatures and isolation of the shell mold at the Açotécnica S.A. company (Jandira/SP). The materials were analyzed by optical and scanning electron microscopy (SEM/EDS), differential thermal analysis (DTA), macro/microhardness and tensile tests at 25oC and 760oC. Besides, the materials were submitted to solution and ageing treatments at different temperatures and times in order to evaluate de microstructural changes. With the aid of the thermodynamic calculation software Thermocalc, simulations of phase relations were made using the average composition of the MAR-M247 superalloy. The results allowed to obtain a processing condition (pouring temperature and isolation condition) with larger amount of rotors without defects. Moreover, the experiments allowed to define an ideal solution heat treatment condition of MAR-M247 superalloy.

Le but principal de cette thèse est de développer un modèle numérique pour modéliser les phénomènesde bifurcation et du branchement des fissures. Pour réaliser cet objectif, il était indispensablede posséder un modèle permettant un couplage fort entre le modèle de Plasticité cristalline etcelui de l'Endommagement régularisé. Dans un premier temps, quelques outils de post-traitement ont été développés pour analyser les systèmes de glissement actifs. Ces outils ont été utilisés surdes simulations d'éprouvettes réelles, et comparés à des résultats expérimentaux. Par ces comparaisons, l'application du modèle de Plasticité cristalline aux superalliages monocristallins a été validée. Ce modèle a ensuite été couplé avec le modèle d'endommagement régularisé. Le couplage a été réalisé dans les deux sens, c'est-à-dire que l'évolution de la plasticité a une influence sur l'endommagement et vice-versa. Le nouveau modèle peut être implémenté simplement, avec la méthode traditionnelle des Éléments Finis. Des expériences étudiant la propagation de fissure sous des chargements de types différents ont été simulées à l'aide de ce nouveau modèle :éprouvettes CT,fissuration en Mode II et rupture en fluage. Une méthode pour l'identification des paramètres matériaux a également été proposée. / The main goal of this dissertation was to develop a model to simulate the processes of crack bifurcation and crack branching in anisotropic materials. To achieve this goal, a thorough coupling of crystal plasticity and regularised damage models was deemed necessary. Firstly, post-processing tools were developed to better analyse the results obtained from standard Crystal Plasticity simulations. These were then compared with experiments, thereby validating the use of Crystal Plasticity models for Nickel base single crystal superalloys. The validated Crystalplasticity model was then coupled with a regularised microdamage model such that the evolution of plasticity influenced damage and vice versa. The newly developed model allows for the simulation of cracks using the standard Finite Element Approach. Experiments studying crack propagation under different types of loads were simulated using the newly developed model, including CT, shear andcreep specimens. A methodology was also proposed for the identification of the newly introduced material parameters.

En service, les matériaux constituant les aubes de turbine aéronautique (superalliages à base nickel) sont soumis à des environnements agressifs susceptibles d’altérer leurs propriétés structurales. Les atmosphères oxydantes impliquées sont en général complexes (O2, H2O, CO2, SO2, NOx…), la quantité d’eau présente pouvant en particulier varier selon le régime moteur et les conditions environnantes (nuages, précipitations, humidité de l’air). Pour apporter une protection contre l’oxydation à haute température, on met en œuvre des revêtements alumino-formeurs sur lesquels une barrière thermique peut, de plus, être déposée. Le présent travail se proposait donc d’étudier l’influence de l’eau, sous forme vapeur et/ou liquide, sur le comportement de revêtements alumino-formeurs de référence, ou développés au LaSIE (barbotine d’aluminium, électrodéposition de CeO2), selon différents régimes d’oxydation (isotherme et cyclique). Afin de se rapprocher des conditions en service, une démarche scientifique originale a été proposée avec la mise en œuvre de conditions de vieillissement et post-vieillissement variées, à haute température, lors des phases de refroidissement, ou encore à température ambiante. Les expériences menées ont montré qu’une introduction de vapeur d’eau n’a que peu d’effet en régime isotherme à 1100°C, notamment lorsqu’une couche d’alumine alpha s’est développée en surface. L’ajout d’eau à froid (humidité relative,gouttes d’eau) accroît l’écaillage des couches d’oxydes, au-delà d’un temps d’oxydation critique, alors que l’apport d’eau lors de la phase de refroidissement des cycles thermiques conduit à une dégradation catastrophique des aluminures de nickel par un mécanisme combinant fatigue thermique et piqûration. / Upon service, aero-turbine blades (nickel-based superalloys) are submitted to high temperature degradation that may alter their structural properties. The oxidizing atmospheres are particularly complex (O2, H2O, CO2, SO2, NOx…) with variable water vapour contents as function of the engine regime and the atmospheric conditions (clouds, rain, relative humidity of air). These substrate materials are protected by alumina-forming coatings to improve their oxidation resistance, while additional thermal barrier coatings insulate the hottest parts. This PhD project aims at studying the effect of water (vapour, liquid) on the degradation of conventional and new coatings (Al slurry, electrodeposited CeO2) developed at the LaSIE laboratory under different oxidation regimes (isothermal and cyclic). An approximation to service conditions was proposed through an original methodology in which several oxidation and post-ageing conditions for different oxidation ranges (hot, upon cooling, at room temperature) were performed. The experiments showed little effect of water vapour mixed with air at 1100°C in isothermal conditions, in particular when the alumina scale grew over the surface. In contrast, water-containing environments at room temperature (relative humidity, water drops) increased the spallation of the oxide scales above a critical threshold time. Cyclic oxidation with water cooling provoked in turn, a catastrophic failure of the aluminide coatings by a mechanism involving thermal fatigue and pitting corrosion.

Les superalliages à base nickel des turbines aéronautiques sont susceptibles de subir des phénomènes de corrosion et/ou d’oxydation à haute température par les environnements agressifs rencontrés en service. Aussi, des revêtements d’aluminure sont appliqués par dépôt chimique afin d’assurer la protection des pièces contre ces phénomènes. La dégradation progressive de ces revêtements mène à la nécessité de les enlever afin d’en appliquer des nouveaux. Les bains chimiques industriels pour enlever les revêtements et les oxydes sont très toxiques, polluants et plutôt empiriques. Ainsi, ce travail de thèse se proposait d’étudier une méthode alternative et originale, par voie électrochimique permettant de contrer les limitations des approches chimiques. La voie électrochimique par application d’un potentiel (mode potentiostatique) a été étudiée afin de procurer la sélectivité entre le substrat et le revêtement lors de la dissolution, ainsi que le contrôle in-situ du procédé à l’aide d’une cellule à 3 électrodes. La faisabilité de la méthode a d’abord été démontrée, puis différentes procédures (par cycles cathodique/anodique, en continu et, parfois, avec modification du potentiel imposé) ont été développées. Nous avons pu mettre en relation les états métallurgiques des systèmes revêtement/substrat avec leur comportement électrochimique et avons mis également en lumière que le taux de dissolution est principalement gouverné par la concentration d’aluminium dans le revêtement alors que lorsque le platine est incorporé à ce même revêtement, le taux de dissolution est homogène. De même, nous avons démontré par XPS et par MET que la teneur en chrome modifie de manière significative l’homogénéité du décapage lors des phases de polarisation cathodique par un mécanisme de passivation de la surface, qui bloque l’activité électrochimique. Cependant, la tenue en oxydation cyclique des revêtements décapés par voies chimique et électrochimique n’a pas pu véritablement être démontrée car les revêtements avaient une microstructure différente. Enfin, des essais sur pièces de turbine ont montré le haut degré de sélectivité de l’approche ici étudiée. / Nickel based superalloys of aeronautical turbines are subjected to high temperature oxidation and/or corrosion in service conditions. Thus, protective aluminide coatings are applied onto the parts by chemical vapor deposition. The degradation of the coatings with time requires them to be removed prior to recoating the parts. The chemical baths industrially employed are toxic, polluting and quite empirical. Therefore, this thesis aimed at studying an alternative and original electrochemical method to circumvent the drawbacks of the chemical approach. Fixed potentials (potentiostatic mode) were thus applied to provide selectivity between the coating and the substrate upon the dissolution process, as well as to ensure in-situ control through a 3-electrode cell. The feasibility of the method was first demonstrated, then different procedures (cathodic/anodic cycles; continuous anodic and sometimes with modification of the potential) were investigated. The correlations between the metallurgical phases of the coating/substrate systems were elucidated. It also appeared that dissolution is mainly governed by the concentration of aluminium in the coating whereas the incorporation of platinum to the coating brought about the homogeneous dissolution. In addition, XPS and MET confirmed the hypothesis by which the chromium content drastically change the stripping homogeneity upon the cathodic polarization step by passivation of the surface and the subsequent electrochemical blocking. However, the results on the cyclic oxidation behaviour of the coatings priorly stripped chemically or electrochemically were not conclusive enough as the microstructure of the original coatings was different. Finally, quite a few stripping trials were carried out onto real turbine parts that confirmed the high selectivity of the electrochemical approach studied.