Les aubes de turbine Haute Pression des moteurs d'avion, constituées du superalliage monocristallin AM1, sont refroidies par un circuit complexe de microcanalisations, situé en bord d'attaque et près du bord de fuite. Il peut constituer des sites privilégiés d'endommagement et d'amorçage de fissures, qu'il est indispensable de prendre en compte dans le dimensionnement en fatigue des aubes de turbines. Ce travail a consisté, dans un premier temps, à réaliser une étude expérimentale sur des éprouvettes perforées de trous de différents diamètres. Elle a permis de mettre en évidence qualitativement et quantitativement l'effet du gradient de contrainte sur l'amorçage de fissure. Cependant, la contrainte locale maximale (ou la déformation maximale) ne peut suffire dans un critère de rupture, car elle surestime le risque de rupture, ne prenant pas en compte les effets d'échelle ou de géométrie. Une méthode de moyenne volumique a alors été proposée pour prendre en compte le gradient de contrainte dans le calcul de durée de vie et a ainsi permis d'améliorer les prévisions de durée de vie.Parallèlement, un modèle d'endommagement de fatigue anisotrope, qui couple plasticité et endommagement, en s'attachant particulièrement à décrire la phase de micro-amorçage, a été développé. L'identification et la validation du modèle ont été réalisées à partir d'une base de données expérimentales conséquente sur l'AM1 et sur les essais sur éprouvettes perforées réalisés au cours de ce travail. Afin de prendre en compte les effets de gradient dans les zones à forte concentration de contrainte, la méthode de moyenne volumique a été appliquée avec ce modèle et a fourni des résultats encourageants.

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Les revêtements barrières thermiques sont de plus en plus employés dans l'industrie afm d'accroître lesperformances thermiques et de diminuer les émissions de NOx des turbines aéronautiques et de générationd'électricité. Au cours de cette étude, le système constitué d'un substrat en superalliage base nickelmono cristallin AMI, d'une sous-couche NiAlPt et d'une barrière thermique en zircone yttriée élaborée par voieEBPVD (Electron Bearn Phase Vapor Deposition) a été étudié. Le but de cette thèse était de caractériser lesmodes d'endommagements en conditions représentatives de celles rencontrées en service sur le profil des aubesde turbines hautes pressions. Pour pallier au manque de données dans la littérature ouverte, des essais à différentsniveaux de température et de chargement mécanique ont été réalisés avec pour objectif de découpler les diversmodes d'endommagement qui entrent en jeu dans la ruine des barrières thermiques. Ces essais mécaniques detype fluage isotherme, fluage cyclé thermiquement, fatigue oligocyclique et fatigue avec temps de maintien ontété réalisés dans la gamme de température 950°C-1200°C avec des moyens d'essais classiques de laboratoire. Ilsont permis de mettre en évidence l'impact du chargement mécanique sur la cinétique de croissance de la couched'alumine inter faciale à llOO°C(notamment en fluage) mais aussi le délaminage à l'interface sous-coucheinterne/sous-couche externe en conditions de forte vitesse de déformation viscoplastique du substrat et le rôlemajeur de l'interdiffusion entre sous-couche et substrat sur la durée de vie en fatigue oligocyclique à 950°C. Desessais technologiques ont aussi été réalisés sur le banc MAATRE. / Thermal barrier coatings are widely used in the industry to enhance thermal performances and to decrease NOxemissions of aeronautic gas and electricity generating turbines. During this study, the system consisting of asingle crystal nickel based superalloy AMI (substrate), of a NiAIPt bondcoat and an yttria-stabilized zirconiatopcoat made by columnar EBPVD (Electron Bearn Phase Vapor Deposition) was studied. The aim ofthis thesiswas to characterize the damage mechanisms in conditions representative of those encountered in service on theprofile of high pressure turbine blades. To overcome the lack of data in the open literature, tests at differentlevels oftemperature and mechanicalloading has been made with the aim to decouple the various damage modesthat are involved in degradation of thermal barrier coatings. Thermomechanical testings such as isothermal creeptests, thermally cycled creep tests, low cycle fatigue with or without holding time have been made in thetemperature range 950°C-1200°C with conventional laboratory testing methods. They allowed to demonstratethe impact of the mechanical loading on the oxidation kinetics of the thermally grown oxide at IIOO°C(particularly during creep tests) but also a new delamination mode in the bond coat (near process defaults) in caseof high viscoplastic deformation rate of the substrate and the major role of interdiffusion between bondcoat andsubstrate on the low cyclic fatigue lifetime at 950°C. Finally, technological testings have also been realized onthe MAA TRE test bench.

Le nouveau procédé d’élaboration par solidification dirigée de lingots de Si quasi-monocristallin (« monolike ») offre une alternative séduisante à l’utilisation plus coûteuse de monocristaux pour la fabrication de cellules photovoltaïques à architecture avancée et haut rendement. Toutefois, la présence locale de zones de fortes densités de dislocations entraîne une dispersion des rendements obtenus.Cette Thèse présente une analyse détaillée des mécanismes de formation des structures de dislocations lors de la cristallisation monolike et de leur influence sur les propriétés électriques du matériau. Des conclusions pratiques en sont tirées pour l’amélioration du procédé.Des expériences de cristallisation en four pilote ont été réalisées en faisant varier les paramètres tenant à la mise en œuvre du pavage de germes et à la réutilisation de ceux-ci, à l’orientation cristallographique de croissance, et au dopage en élément durcissant (Ge). Des tests complémentaires de recuit et de flexion 4 points à haute température ont été utilisés pour analyser l’influence du niveau de contrainte et du temps.Une caractérisation avancée des structures de dislocations a été réalisée par imagerie X synchrotron. En arrière du front de croissance, les dislocations s’organisent en structures cellulaires qui correspondent à l’état final de fluage stationnaire. Les dislocations qui émergent au front peuvent, par accumulation locale, générer des domaines désorientés de forme conique, qui présentent des angles de rotation croissants autour de la direction de solidification, et s’étendent latéralement lors de la progression du front. Les fortes activités recombinantes de ces défauts ont été caractérisées par LBIC et Photoluminescence. Un choix approprié des orientations et des conditions de mise en œuvre des germes permet de s’affranchir des défauts initiés à l’interface germes/lingot. Toutefois, de tels défauts peuvent aussi être générés par accumulation locale de dislocations en partie supérieure des lingots sous l’effet de contraintes élevées.Ces derniers défauts n’ont pas été observés dans les lingots cristallisés dans les directions <110> et <112>, ce qui constitue un avantage par rapport aux lingots <100>. Par contre, des macles et sous-joints se sont propagés à partir des joints de grains de rotation créés volontairement, de sorte que l’effet de l’angle de rotation reste à analyser. Enfin, l’addition de germanium s’est révélée très efficace pour ralentir la multiplication des dislocations lors de tests de flexion sous faibles contraintes. Toutefois, son application à la cristallisation nécessitera une meilleure planéité du front de cristallisation et un brassage forcé du bain pour éviter une ségrégation radiale de Ge. L’utilisation d’autres éléments durcissants est également envisagée. / The new generation of directionally solidified “monolike” Si ingots presents an attractive alternative to high-cost monocrystals for the manufacture of high performance solar cells with advanced architecture. However, local zones with high densities of dislocations still affect the overall solar cell efficiency.In the present work, the mechanisms of formation of dislocations structures during monolike growth and their influence on the electrical properties of the material were analyzed, and practical conclusions were drawn for the improvement of the process.Pilot scale crystal growth experiments were performed with varying parameters related to seed pavement and seed recycling, crystallographic orientation of the growth, and doping with a strengthening element (Ge). Complementary annealing and 4-point bending tests at high temperature were used to analyze the influence of stress level and time under stress.Advanced structural characterization of dislocations structures was performed by synchrotron X-ray imaging. Behind the growth front, dislocations organize in cellular patterns which correspond to a quasi-stationary creep stage, reached in the solid after long time under stress at high temperature. Dislocations that emerge at the growth front develop, from local sources, cone-shaped misoriented domains, which present increasing tilt around the growth axis and expand laterally as growth proceeds. Characterization by LBIC and Photoluminescence showed that these defects have the highest recombination activities. The sources of these defects located at the seed ingot interface can be suppressed by proper choice of seeds orientations and arrangement. However, another source is bunching of dislocations at the growth front under the higher stresses upper in the ingot.In <110> and <112> grown ingots, dislocation bunching was not observed inside the monocrystalline parts, which shows an advantage of these orientations over <100>. On another hand, twins and sub-grain boundaries propagated from higher angle grain boundaries with these growth directions, and further studies are needed to prevent the generation of such defects. Finally, Ge doping was effective to reduce dislocations multiplication in bending under low stresses. However, its application to crystal growth will require a planar growth interface, and forced melt mixing to avoid Ge radial segregation. New researches inspired by the addition of strengthening elements are now in development.

L'amélioration du rendement d'un moteur d'avion est reliée à l'élévation de la température de combustion. Les progrès de l'industrie aéronautique de ces 30 dernières années ont permis l'augmentation de cette température. Les aubes de turbine qui en subissent directement les effets ont vu leur métallurgie et leur géométrie évoluer avec le temps. Aujourd'hui, elles sont en superalliage monocristallin à base de nickel. Les barrières thermiques, constituées d'une sous-couche métallique et d'un dépôt céramique ont été développées pour protéger la surface de l'aube de la température et de l'environnement agressif (oxydation, corrosion à chaud). Parallèlement à l'évolution des matériaux, la géométrie de l'aube a également été adaptée. Un circuit de refroidissement interne permet la circulation puis l'éjection d'air par des micro-trous créant ainsi une fine couche protectrice à la surface de l'aube. Depuis des années, ces trous (diamètre de 0,45mm pour une profondeur comprise entre 1,5 et 3 mm) sont percés par laser impulsionnel ou par électroérosion favorisant ainsi le temps d'usinage. <br/>Ce travail porte sur l'étude du perçage laser impulsionnel milliseconde qui chauffe le matériau irradié, le fond puis vaporise une couche superficielle de liquide. La pression résultant, dite pression de recul, est la force motrice du perçage. L'objectif de cette étude est de définir et caractériser l'endommagement subi par le matériau après perçage laser. Les phénomènes d'éjection de la matière sont modélisés par éléments finis par l'adaptation d'un code initialement développé pour le soudage laser. Ce modèle est comparé à des mesures expérimentales de vitesse d'éjection liquide, de pression de recul ainsi qu'à des observations micrographiques fines qui montrent une couche de matière resolidifiée dont la microstructure est différente de celle du superalliage. Aujourd'hui, les modèles numériques utilisés pour prédire la durée de vie des pièces perforées ne prennent en compte que la dimension des trous donc le gradient de contrainte résultant. Les essais de fatigue à haute température réalisés dans cette étude avec deux types de perçage laser (une source femtoseconde et une source milliseconde) permettent de mettre en évidence l'influence de la modification de la matière induite par le procédé de perçage sur le comportement mécanique d'éprouvettes percées. Une étude de la vitesse de fissuration combinée à l'étude des faciès de rupture permet de comprendre les phénomènes d'amorçage et de propagation de fissure courte. Elle montre que l'engouement actuel pour les sources lasers ultrarapides (c'est-à-dire pico/femtoseconde), qui ne modifie pas la microstructure du perçage de la même façon qu'un laser classique (milliseconde) n'est pas obligatoirement justifié pour ce type d'application.

Les superalliages à base de nickel sont utilisés dans l'industrie aéronautique pour leur bonne tenue mécanique à haute température (1100°C). Les particules durcissantes de phase γ' présentent une évolution morphologique de cuboïdes à plaquettes au cours d'un test de fluage. C'est la mise en radeaux. Nous présentons ici les résultats d'investigation par diffusion de neutrons aux petits angles, diffraction à haute résolution de rayonnement synchrotron et microscopie électronique permettant d'établir le lien entre le développement de la plasticité et l'évolution microstructurale des superalliages. L'utilisation de la diffusion de neutrons aux petits angles au cours d'un recuit in situ d'un échantillon déformé permet de caractériser la cinétique de mise en radeaux des précipités γ'. Par ailleurs, l'analyse in situ de l'évolution des contraintes internes au cours de la transformation microstructurale permet de caractériser les micromécanismes mis en jeu. Des observations en microscopie électronique en transmission des structures de dislocations avant et après la mise en radeaux confirment ces résultats. De plus, un modèle basé sur la théorie des inclusions d'anisotropie élastique est présenté, permettant de corréler l'ensemble des résultats expérimentaux au comportement en fluage de ces matériaux. L'ensemble des résultats montre que la relaxation anisotrope du désaccord paramétrique induit par la déformation plastique introduite dans la matrice γ est la force motrice des phénomènes de diffusion intervenant lors de la mise en radeaux des précipités γ'.

Les aubes de la turbine haute pression des turboréacteurs ou des turbines terrestres sont des composants importants soumis à des chargements thermomécaniques sévères. Ces aubes sont fréquemment réalisées en superalliage à base de nickel monocristallin. Les modèles de durée de vie actuels décrivent l'amorçage de microfissures, alors que plusieurs études ont montré la nécessité de tenir compte de leur propagation. L'objet de cette thèse était donc de la modéliser par l'approche locale de la rupture en fatigue et en fatigue-fluage. Nous avons d'abord identifié une loi de comportement cristallographique dans des conditions de sollicitation variées. Cette loi a été utilisée pour simuler l'activation des systèmes de glissement en pointe de fissure à haute température sous sollicitations cycliques. Des essais de fissuration à haute température ont alors été réalisés pour comprendre l'influence de plusieurs paramètres. On montre notamment que les effets de l'orientation cristallographique ou de l'environnement sont peu marqués. Deux modèles complémentaires de propagation de fissure sont proposés. Le premier permet d'estimer rapidement la vitesse de propagation en fonction des conditions de chargement. Il s'agit d'un post-traitement de calculs cycliques par éléments finis, utilisable à moyen terme en milieu industriel. Le deuxième modèle permet de simuler le chemin de fissuration, notamment la bifurcation de fissure. C'est un modèle d'endommagement continu. Ces outils ont été validés dans plusieurs conditions de chargement. Ils offrent des perspectives prometteuses d'amélioration des prédictions de durée de vie. L'extension des modèles au cas anisotherme, la modélisation non locale de l'endommagement et la diminution des temps de calcul sont des points sur lesquels des progrès sont possibles.

Les pales de turbine Haute Pression (HP) sont soumises à des sollicitations cycliques, thermiques et mécaniques complèxes. L'objectif de ce travail est de caractériser l'influence du cyclage thermique sur les comportements des systèmes revêtements MCrAIY/superalliage à base de nickel, en surface et à coeur, et d'étudier la complexité des intéractions entre le substrat et le revêtement. Nos efforts ont été concentrés sur l'étude couplée de dégradations environnementales (oxydation, corrosion) et mécaniques (fluage) à haute température, qui sont représentatives de l'application pale de turbine. Les essais d'analyse thermogravimétrique cycliques menés à 1150°C ont permis de mettre en évidence et de quantifier l'écaillage important des couches d'oxydes sur le MC2 lors du refroidissement, et le faible écaillage des couches sur les matériaux revêtus pour les durées considérées (30h à 1150°C). Les résultats des essais d'oxydation et corrosion permettent de définir le comportement global des revêtements pour les températures et les dégradations rencontrées en service. Ces essais ont permis d'évaluer le pouvoir protecteur des revêtements en fonction de leur épaisseur et on mis en évidence l'importance de la notion de réservoir en aluminium et en chrome. Des diagrammes d'occurence de phases représentatifs de l'état de dégradation de ces revêtements ont été construits. La modification de la composition du revêtement NiCoCrAIYTa par un ajout de platine en surface a amélioré la résistance des révêtements aux phénomènes d'oxydation cyclique et de corrosion. La mise en place d'essais de fuage novateurs, caractérisés par le cyclage thermique des échantillons sous chargement constant à 1150°C/80MPa, a révélé la grande influence de ce cyclage sur la vitesse de déformation et sur la durée de vie en température des matériaux. Les différents paramètres qui caractérisent le cycle thermique (durée du palier en température, vitesses de chauffage et de refroidissement) ont un effet significatif sur la durée de vie à rupture. La répétition des cycles thermiques accélère l'endommagement de la structure à coeur.

La fragilisation par l’hydrogène est une des causes les plus évoquées lors de la rupture prématurée des pièces métalliques. Il est donc nécessaire de clarifier l’effet de ce soluté sur les propriétés mécaniques et les mécanismes de plasticité dans ces matériaux. L’étude proposée de cette thèse consiste à étudier l’effet de l’hydrogène sur la réponse mécanique du nickel monocristallin déformé par la fatigue de l’échelle macroscopique jusqu’à l’échelle atomique. A l’échelle macroscopique, des essais de fatigue ont été réalisés sur du nickel orienté en glissement multiple avec plusieurs teneurs en hydrogène pour évaluer ses conséquences sur l’écrouissage cyclique du métal. Ensuite, une caractérisation microstructurale des hétérogénéités développées par la fatigue a été conduite pour plusieurs amplitudes de déformation plastique sur le nickel avec et sans hydrogène. La déformation du métal induit une organisation de la microstructure sous forme de chenaux et de murs qui dépend en partie des interactions élastiques entre l’état de contrainte, l’hydrogène et les défauts cristallins. Par conséquent, l’impact de l’hydrogène sur les propriétés élastiques du métal a été étudié à l’aide de calculs à l’échelle atomique et complété par des expériences. D’autres calculs à cette échelle, associés à des modèles analytiques basés sur la théorie élastique des dislocations, ont été réalisés pour évaluer la stabilité des structures de dislocations induites par la fatigue en présence d’hydrogène, de lacunes et d’amas de lacunes. Les principales conclusions de cette étude proviennent d’une analyse multi-échelle des résultats obtenus par la combinaison d’approches numériques et expérimentales. Nous suggérons que l’incorporation de l’hydrogène induit un durcissement intrinsèque du nickel. Cependant, la formation de lacunes et d’amas de lacunes atténue l’effet du soluté et participe à la compétition entre adoucissement et durcissement du nickel à l’échelle macroscopique. / Hydrogen in metals can lead to irreversible damages on engineering structures. Consequently, the effects of the solute on the mechanical properties and the plasticity mechanisms of these materials have to be clarified. The proposed study consists to investigate the effects of hydrogen on the mechanical response of nickel single crystal strained by fatigue from macroscopic scale down to the atomic scale. At macroscopic scale, cyclic tests are conducted on multi-slip oriented nickel with several hydrogen concentrations to evaluate its consequences on the cyclic hardening of the metal. Then, a microstructural characterisation of the heterogeneities developed by fatigue is conducted for several plastic deformation amplitudes on nickel with and without hydrogen. The deformation of the metal induces a microstructure in form of wall and channel phases, which partially depend on the elastic interactions between the stress state, hydrogen and the induced crystalline defects. Therefore, the impact of hydrogen of the elastic properties of nickel single crystal is investigated using atomic scale calculations and experiments. Further calculations at this length scale associated with analytical elastic models are conducted to evaluate the stability of fatigue induced dislocation structures in presence of the solute, vacancies and vacancy clusters. The main conclusions of this study arise from the analysis of the results obtained from macroscopic scale down to the atomic scale and from the combination of both numerical and experimental techniques. In particular, the incorporation of hydrogen leads to a hardening of the nickel intrinsically. However, the formation of vacancies and vacancy clusters by the incorporation of hydrogen counteracts the effects of the solute and participates in the competition between the softening and the hardening of cyclically strained nickel single crystal observed at macroscopic scale.

Les aubes de turbine haute pression en superalliage monocristallin sont refroidies, à la fois par un réseau de canaux internes, ainsi que par des perforations débouchantes. Soumises à des cycles thermo-mécaniques complexes, elles subissent des endommagements de type fatigue, fluage et oxydation. Pour valider les chaînes de prévision de durée de vie en conditions réelles d'utilisation, il a été nécessaire d'étudier des configurations d'essais technologiques reproduisant les conditions d'un cycle moteur en laboratoire. Pour cela, une installation d'essai de fatigue à gradient thermique de paroi est développée. Le gradient thermique est généré par chauffage de la surface externe et refroidissement interne par une circulation d'air. L'installation a ainsi permis la réalisation d'essais selon une complexité croissante, allant de l'essai isotherme jusqu'au cycle thermo-mécanique complexe, sur éprouvette tubulaire lisse ou multi-perforée. Afin d'analyser finement ces essais, deux méthodes de mesures sont étudiées. La méthode du potentiel électrique pour la détection et le suivi de fissure appliquée à des géométries complexes et la corrélation d'images, dont l'utilisation est étendue à la haute température. Le point-clé de la modélisation de ces essais est l'estimation du champ thermique. L'impossibilité de le mesurer sur éprouvette, a conduit à le déterminer numériquement, notamment par des simulations couplées aéro-thermiques. La chaîne de prévision de durée de vie intégrant l'aspect non-local, a ainsi pu être confrontée aux mesures expérimentales en termes de réponse mécanique, localisation de l'endommagement et durée de vie à amorçage.