L'alliage 718 est un superalliage à base de nickel très utilisé par l'industrie dans la mesure où il offre de nombreuses latitudes en termes d'optimisation de propriétés en regard des conditions d'utilisation. L'industrie aéronautique, plus particulièrement les motoristes comme SNECMA, l'utilise pour réaliser les disques de turbine des turboréacteurs. Ces disques sont forgés puis subissent un traitement thermique dit « Direct Aged » qui confère à l'alliage les propriétés mécaniques requises pour cette application. Cependant, lorsque l'on dépasse 550°C, l'alliage 718 présente, en fonction de son histoire de fabrication, une sensibilité plus ou moins importante à la fissuration assistée par l'oxydation. Cette étude se propose donc d'aborder la problématique de l'amorçage de fissures dans diverses conditions de chargement pour la microstructure DA. Pour mener ce travail, une géométrie inhabituelle d'éprouvette est utilisée : l'éprouvette en V. Celle-ci permet de localiser la déformation en surface dans des conditions de triaxialité des contraintes proches de celles rencontrées dans certains composants. Afin de découpler l'action de l'oxydation de celle liée à la sollicitation, un dispositif expérimental de traction sous air et sous vide a été employé. Une analyse systématique par microscopie électronique à balayage des surfaces sollicitées a été menée pour localiser et quantifier l'amorçage. Celui-ci se produit sur deux types de site, les carbures/carbonitrures et les joints de grains. Grâce à une approche quantitative, les conditions expérimentales conduisant à un mode d'amorçage privilégié ont pu être déterminées. Les résultats obtenus montrent l'intérêt de la géométrie d'éprouvette en V pour favoriser et quantifier l'amorçage des fissures. Ces résultats semblent mettre en évidence une inhibition de l'amorçage de fissures intergranulaires par l'oxydation dans l'alliage 718 DA, ce qui correspond à un comportement original pour un alliage 718. La microstructure particulière des joints de grains de l'alliage 718 DA semble être à l'origine du comportement spécifique observé. / Alloy 718 is a nickel-based superalloy widely used in the industry insofar as it provides many options in terms of properties optimization in view of using conditions. Aeronautics industry, more specially aircraft engine manufacturer like SNECMA, uses this alloy to manufacture disks of turbojet engine. These disks are forged then aged by a specific thermal treatment called ?Direct Aged? (DA) in order to achieve needed mechanical properties for this application. However, above 550°C, the alloy 718 is known to be relatively sensitive to oxidation assisted intergranular cracking, depending upon its fabrication history. This study therefore proposes to investigate crack initiation problems in various loading conditions for DA alloy 718. To carry out this work, uncommon samples are used: V-shape specimens. This geometry allows localizing strain at the sample surface under conditions of stress triaxiality similar to those endured in real components. Tests were both conducted under air or under vacuum to understand the effect of oxidation on crack initiation. A systematic analysis of the stressed samples, using scanning electron microscopy, was performed to observe and quantify crack initiation. Cracks initiate on two types of sites, carbides/carbonitrides and grain boundaries. Thanks to a quantitative approach, experimental parameters which determine crack initiation mode have been identified. Experimental results have shown the advantage of the V-shape specimen geometry to promote and quantify crack initiation. In addition, these results highlight that intergranular crack initiation seems inhibited by oxidation in DA alloy 718, which is corresponding to an unusual behavior for an alloy 718. The microstructure near grain boundaries appears to cause this specific behavior.

De nombreux alliages de structure doivent leurs propriétés mécaniques à la présence de précipités inter ou intragranulaires. Ainsi les superalliages à base nickel, de matrice austénique γ, sont souvent renforcés par des précipités de phases intermétalliques ordonnées. Au sein de l’alliage Inconel 718, outre la phase γ’ de structure L12 (cubique simple), on trouve des précipités de Ni3Nb sous la forme métastable γ" (D022 - tétragonal centré) ou sous la forme stable δ (D0a - orthorhombique). Le rôle des précipités γ’, γ" et δ sur les propriétés macroscopiques de l'alliage est connu et largement utilisé en contexte industriel. Cependant les mécanismes de précipitation et de transformation de ces précipités ne sont toujours pas complètement élucidés, ce qui a motivé ce travail. La microstructure de l’alliage a été caractérisée par microscopie optique (MO) et électronique (à balayage et en transmission ; MEB et MET) dans l’état de livraison et après des traitements thermiques isothermes et anisothermes. Les essais d’analyse thermique différentielle (ATD) nous ont permis de préciser les domaines de température de précipitation et de dissolution des différentes phases présentes (γ’, γ" et δ). Différents états de précipitation ont été obtenus à l’aide de traitements thermiques isothermes basés sur les diagrammes temps-températuretransformation (T.T.T.) disponibles dans la littérature. Les observations en MET « à haute résolution » des précipités des phases δ et γ’’ ont permis de caractériser certains des défauts structuraux présents dans ces précipités. Nous montrons ainsi que les défauts d’empilement au sein de la phase γ’’ peuvent servir de germes pour la précipitation de . Alors que la structure des interfaces δ/γ ainsi que les défauts d’orientation au sein des lamelles de δ suggèrent que la croissance de la phase δ a lieu directement à partir de la matrice . / Many structural alloys are strengthened by the presence of precipitates in the grains or at grain boundaries. Nickel based superalloys often present an austenitic γ matrix in which ordered intermetallic phases precipitate. In the alloy Inconel 718, one can find γ’ L12 cubic ordered precipitates together with the compound Ni3Nb in its metastable form γ" (D022 - tetragonal) or the stable phase δ (D0a - orthorhombic). The incidence of those precipitates on macroscopic properties of the alloy 718 is well known and widely used in industrial applications. However the mechanisms responsible for the precipitation and transformation of these phases are not fully understood, which motivated the present study. The alloy microstructure has been observed by optical microscopy (OM) and electron microscopy (scanning and transmission, SEM and TEM) in the as received state as well as after heat treatment (isothermal and anisothermal). Differential thermal analysis (DTA) was used to determine the precipitation and dissolution temperatures of the phases γ', γ" and δ. Various precipitation microstructures were obtained by heat treatments based on available TTT diagrams. Some of the structural defects present in γ" and δ precipitates have been characterised by lattice imaging TEM observations. It is shown that stacking faults in γ’’ phase can act as a seed for the germination of . The structure of the δ/γ interface and the orientation defects in δ lamellae suggest that the growth of δ phase occurs directly from the matrix (and not by transformation of the γ’’ phase).

L’utilisation de différents alliages à base nickel est largement répandue dans les domaines industriels où les sollicitations mécaniques ou environnementales sont particulièrement sévères. Dans le cas des applications nucléaires, ceux-ci sont utilisés pour leur excellente résistance aux phénomènes de Corrosion Généralisée et de Corrosion Sous Contrainte. Les présents travaux s’intéressent tout particulièrement à la nuance 718 utilisée pour faire les composants fortement sollicités (ressorts, vis, …) présents au sein des assemblages combustibles. Ce sont ainsi plus de 20 millions de pièces qui sont actuellement en service dans les réacteurs français. Les enjeux industriels de sûreté des composants conduisent à des recherches permanentes en vue d’accroître encore davantage leur fiabilité. Des travaux sont ainsi menés depuis plus de quinze ans en étroite collaboration entre Areva et le Cirimat, dans cet objectif. Ces travaux ont en particulier permis la découverte d’un traitement thermique permettant de désensibiliser totalement l’alliage 718 vis à vis des phénomènes d’endommagement assisté par l’environnement. Ce phénomène a été associé à une évolution tant de l’état métallurgique que de la chimie du matériau. Les travaux présentés dans ce manuscrit s’inscrivent dans la droite lignée de ceux entrepris précédemment. Les paramètres clefs du procédé développé alors ont été identifiés afin d’être reproduits. Des premiers essais conduits en laboratoire ont permis de mettre en évidence une diminution de la sensibilité à la fissuration assistée par l’environnement des matériaux ainsi traités. L’efficacité se révèle néanmoins partielle dans ces conditions. Des essais menés en parallèle dans une enceinte industrielle ont permis d’aboutir à des résultats similaires. Ces résultats se révèlent partiellement satisfaisant au regard de ceux obtenus dans les études précédentes. Aucune différence entre l’état métallurgique des matériaux obtenus dans le cadre de cette étude et ceux issus des travaux antérieurs n’a pu être mise en évidence. En revanche, une différence peut être constatée dans l’évolution de la chimie du matériau, notamment concernant la teneur en éléments interstitiels. Une analyse approfondie des atmosphères de traitement thermique a donc été entreprise afin d’identifier les mécanismes entrant en jeu dans le procédé de désensibilisation et permettant de conduire à une diminution de la teneur en élément interstitiel, en particulier le carbone. Il est ainsi apparu qu’une réaction directe entre l’atmosphère et les éléments interstitiels mis en jeu ne peut avoir lieu. D’autres mécanismes ont alors été explorés afin de conduire à une décarburation de l’alliage 718. Il a alors été mis en évidence que plusieurs alliages modèles Ni-Cr et Ni-Cr-Fe pouvaient être décarburés dans des conditions compatibles avec celles du traitement thermique de désensibilisation, alors qu’aucun échantillon issu du matériau d’étude ne conduit à un résultat similaire. Ceci a été attribué au fait que la majeure partie du carbone contenu dans ce matériau se présente sous la forme de carbures de niobium ou de titane. Cette solution, trop difficile et incertaine à développer d’un point de vue industriel n’a pas été poursuivie. Une voie alternative au traitement thermique seul a été également initiée afin d’atteindre l’objectif industriel initial : réduire fortement la sensibilité de l’alliage 718 à la fissuration assistée par l’environnement. Celle-ci consiste en une adaptation de la gamme thermomécanique de fabrication des produits d’études. Des résultats prometteurs sont présentés dans ce manuscrit mais doivent nécessairement être étoffés avant de pouvoir envisager sereinement une mise en application industrielle de ce procédé alternatif. / Ni-based alloys are widely used in various industrial environments when high mechanical properties and high resistance to uniform corrosion and stress corrosion cracking are required. The present work deals with components made of alloy 718 that are used in fuel assemblies of Pressurized Water Reactors (springs, bolds, screws, …). These are highly solicited and there are more than 20 million in services in core of PWR power plant in France, at present time. A major concern for nuclear industry on based on safety during operations and permanent research works are carried out in order to improve reliability of these components. For more than fifteen years, Areva and Cirimat have performed various studies to complete this goal. Few years ago, this collaboration was successful with the discovery of a particular heat treatment process that allows the desensitization of alloy 718 to environment assisted cracking. This phenomenon was associated to an evolution of both metallurgical state and material chemistry. Results presented in this document are the right continuation of this previous work. Key process parameters have been identified thanks to previous results in order to be reproduced. Experiments were conducted in laboratory equipment, at a first time. They revealed a slight decrease of material susceptibility to environment assisted cracking. Nevertheless, process efficiency appears not as satisfying as observed in previous results. Other tests have been conducted at the same time in an industrial facility and reveal similar results. Atmosphere analyses have been carried out in both laboratory and industrial equipment in order to identify desensitization mechanism, particularly the decrease in carbon content. It appears that a direct reaction between atmosphere and interstitial elements could not be considered as a slight surface oxidation may appear during heat treatment cycle. Other decarburization mechanisms have been explored using both alloy 718 and other Ni-Cr(-Fe) model materials. Decarburizing conditions have been determined on all model materials. Nevertheless, none of them allow the decarburization of studied alloy 718. This was attributed to the fact that most of the carbon in this alloys is precipitated under niobium and titanium carbides. This solution could have been continued but appeared too difficult and highly uncertain regarding industrial scale application. An alternative processing to a sole heat treatment was initiated to reach our main goal: significantly decrease susceptibility of alloy 718 to environment assisted cracking. It is based on an optimization of thermomechanical process route. Some promising results are presented in this document. They must be developed before considering an application to an industrial scale.