Etude de la soudabilité d’un superalliage base nickel fortement chargé en éléments durcissants titane et aluminium : l’inconel 738

De
Publié par

Sous la direction de Jean-Michel Quenisset, Eric Lacoste
Thèse soutenue le 18 décembre 2008: Bordeaux 1
Résumé
-Superalliage base nickel
-Soudabilité
-Inconel 738
Abstract
Source: http://www.theses.fr/2008BOR13761/document
Publié le : samedi 29 octobre 2011
Lecture(s) : 152
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N° d’o
r
d
r
e : 3761

THESE
Présentée à
L’UNIVERSITE BORDEAUX 1
ÉCOLE DOCTORALE
DES SCIENCE
S
PHYSIQUES POUR L’I
N
GENIEUR
Par Yann DANI
S
POUR
OBTENIR LE G
R
ADE DE
DOCTEUR
SPECIALITE
: Mécanique
et Ingénieri
e



Etude de
la soudabilité d’un superalliage base nickel fortement
chargé en éléments durcissants ti
tane et aluminium : l’inconel 738


Soutenue le :
18 décemb
r
e
2008

Aprè
s avis de
:
M. Daniel NE
LIAS

Professe
ur, INSA Lyon





Rap
porte
ur
M. Michel SUERY

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Re
che
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nobl
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porte
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de :
M. Jean
-Lu
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LATAILLADE

Professe
ur, Arts
et Métiers
ParisT
ech, Borde
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M. Daniel NE
LIAS

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ur, INSA Lyon





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M. Michel SUERY

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nféren
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s, Ecole de
s Mine
s de Pari
s
Examinateur
Mme Co
rinn
e
ARVIEU

Maître de Co
nféren
ce
s, Université Bo
rd
eaux 1


Examinatrice

M. Eric LACO
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Maître de Co
nféren
ce
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), Unive
r
si
té Bordea
ux 1
Examinateur
M. Jean
-Mich
e
l QUENISS
E
T
Professe
ur,
Université Bo
rd
eaux 1



Examinateur
M. Thibaut L
A
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Ingénie
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rn
os

Examinateur







Remerciements


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rine, Ma
rtine,
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Vincent, Ad
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s
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r Yann et Arnau
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soud
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et les
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,
et à la métallurgie notamment en relis
a
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Cette étude
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e
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VALIS-
AQUITAINE a aidé au mo
ntage de
s do
ssi
ers, je l’en reme
rci
e
.








S
OMMAI
R
E

INTRODUCTION
.................................................................................................................
1

CHAPIT
RE 1
:

Généralités
et problématique
................................................................
6

1.1

Utilisation des superalliages
dans les turbomoteurs
....................................................
6

1.1.1

Généralités sur
le
s super
al
liages
..............................................................................................
.6

1.1.2

T
r
aitements thermiques
des s
uper
al
liages
.................................................................................
8

1.2

Le rechargement pa
r procédé
TIG
.................................................................................
10

1.2.1

Principe du
soudage
T
I
G
........................................................................................................
.1
1

1.2.2

Phénomènes thermiques asso
ciés au soud
age T
I
G
................................................................
12

1.2.3

Métallurgie
du soud
age
.........................................................................................................
...
14

1.2.4

Phénomènes mécaniques
associés au
soud
age
.....................................................................
16

1.3

Fissuration induite par le recharg
e
me
nt des su
per
a
lliag
es base nickel
...................
16

1.3.1

Présentation des mécanismes
de fissuration «
à chaud
»
.......................................................
17

1.3.2

Présentation des mécanismes de fissuration
« à froid » et «
au réchauff
age »
......................
24

1.4

Conclusions
....................................................................................................................
.2
8

CHAPIT
RE 2
:

Comporte
ment à haute température – Carac
t
érisation métallurgique
et mécanique de l’Inco
nel 738
........................................................................................
32

2.1

Présen
tatio
n
de
l’Inconel
738
.........................................................................................
33

2.1.1

Propriétés g
énérales
...........................................................................................................
.....
33

2.1.2

Microstr
ucture
.................................................................................................................
.........
34

2.2

Mécanismes de transf
or
mation de
p
h
ase
.....................................................................
36

2.2.1

Etude de la dis
s
olution de la phas
e durcissante de
l’Inconel
738
............................................
37

2.2.2

Etude de la précipitation de la
phas
e durciss
ante de
l’Inc
onel
738
..........................................
55

2.2.3

Ductilité
associée aux
diffé
rents états
matièr
e
.........................................................................
61

2.3

Mécanismes de recr
istallisation
.....................................................................................
64

2.3.1

Effet du traitement de recristallis
ation sur la taille
des gr
ains
...................................................
65

2.3.2

Homogénéité chimique en fonc
tion de la taill
e de grai
ns
.........................................................
67

2.3.3

Ductilité fonction de la
taille des
grains
....................................................................................
6
7

2.4

Ev
aluation de l’aptitude à la
relaxation
des c
ontrai
n
tes
..............................................
68

2.5

Discussion : conditions
d
es essais de
soudage
..........................................................
72

CHAPIT
RE 3
:

Etude expérimentale des mécanismes engendrés par le
rechargement de l’Inconel 738
.......................................................................................
76

3.1

Mode opératoire et méth
odes expéri
me
ntales
.............................................................
76

3.1.1

Echanti
llons
...................................................................................................................
...........
76

3.1.2

Description de l’opérati
on de rechar
gement
.............................................................................
77

3.1.3

Préchau
ffage
...................................................................................................................
.........
77



3.1.4

Inspection mé
tallurg
ique
.......................................................................................................
...
79

3.1.5

Filiations de microdur
eté et
observations sur écha
ntillons rec
hargés
......................................
80

3.2

Compréhension du m
écanisme de fissur
ation à chaud
..............................................
80

3.2.1

Analy
s
e des
résultats
..........................................................................................................
.....
81

3.2.2

Caractérisation de la zone a
ffectée thermiquem
ent (ZAT
)
.......................................................
82

3.2.3

Discussi
on
.....................................................................................................................
...........
94

3.3

Compréhension du méca
nisme de fissurat
ion au rev
e
nu
...........................................
95

3.3.1

Résult
ats
......................................................................................................................
............
95

3.3.2

Recherche des causes de la
fissuration au
réchauffa
ge
........................................................
103

3.4

Validation du procédé choisi : car
actérisation des r
echargem
e
nts
.........................
108

3.5

Discussion : recherche expérimental
e des causes de la
fissuration
.......................
110

CHAPIT
RE 4
:

Simulation numérique du rechargement de l’Inconel 738
..............
112

4.1

Généralités
sur la modélisat
ion num
érique
du souda
ge
...........................................
112

4.1.1

Couplage thermo-mécano-
métallurgi
que
...............................................................................
113

4.1.2

Modèle t
hermi
que
...............................................................................................................
...
116

4.1.3

Modéle mécanique
du soudage
.............................................................................................
124

4.1.4

Modélisation m
é
tallurgique du
souda
ge
.................................................................................
125

4.1.5

Représentation schém
atique de la méth
ode de ca
lcul
...........................................................
125

4.2

Applica
t
ion du modèle s
u
r un cas si
mple de simulation num
érique du so
udage
..
126

4.2.1

Modèle num
érique pour
la the
rmique
.....................................................................................
129

4.2.2

Modèle num
érique pour le
problèm
e

caniqu
e
...................................................................
136

4.2.3

Validation du
modèle
de sim
u
lation d’une
ligne de fu
sion
......................................................
140

4.3

Applica
t
ion du modèle d
e
simulation numérique d
u
soudag
e
a
u
rechar
gem
e
nt de
l’Incone
l 738
..................................................................................................................
............
148

4.4

Conclusions
...................................................................................................................
1
54

CHAPIT
RE 5
:

Corrélation
des résultats expérimentaux et numériques : prévision
des conditions de fissuration
.......................................................................................
156

5.1

Détermination d’un critère de
fissuration pa
r liquati
on
.............................................
156

5.1.1

Critères de fissu
ration à
chaud...............................................................................................
1
57

5.1.2

Modélisation des opér
atio
ns de rechargement sous différe
ntes conditions
opératoires
........
160

5.1.3

Définition du ris
que de liquat
ion
.............................................................................................
1
62

5.1.4

Ex
pression du
critère de fi
ssuration par
liquati
on
...................................................................
168

5.2

Détermination d’un critère pour la
fissuration au
réchauffage
.................................
169

5.2.1

Evaluation
des niveaux
de contraintes li
és aux
conditions
opératoi
res
..................................
169

5.2.2

Critère pour la
fissura
tion au réch
auffage
..............................................................................
170

5.3

Validation d
es critèr
es d
e
fissura
tion
: détermina
t
ion des con
d
itions opér
a
toires
pour le rechargement des brides d’
un distributeur en
Incone
l 738
....................................
171

5.3.1

Etude ex
périm
entale du rec
h
argem
ent des
brides
d’un
dist
ribut
eur
......................................
171

5
5.3.2

Modélisation du rec
hargement de la bride
du distri
buteur
......................................................
174

5.4

Conclusions
...................................................................................................................
1
78

CONCLUSI
ON GENERALE
............................................................................................
179

Bibliographie
..................................................................................................................
183

Annexe :.......................................................................................................................
...
191

Métho
d
e inverse utilisée
pour la deter
m
in
ation des contr
a
in
tes résiduelles
....................
191


6
7 I
n
tr
o
d
u
c
ti
o
n


INTRODUCTION

Dan
s
le
s tu
rb
omoteu
rs
utilisé
s
po
ur l
a
p
r
opul
sio
n
de
s hélicoptè
r
es,
il existe d
e
s
partie
s
«
froi
d
e
s
»

et des pa
rties « chau
de
s » (figure 1
).

Distribut
eur
haute
p
r
e
ssion
Pale turb
in
e

libre

figure 1 : Représentation schématique de la répartition des températures dans une turbine à gaz à turbine
libre [83]

Les
partie
s
froide
s présent
es à l’e
ntré
e du turb
om
ote
u
r et en
co
ntact ave
c
l’air environ
nant
sont

réali
s
ées en alliages
légers
(titane, aluminium, magnési
u
m,
com
posites à
mat
r
ices métalliques…)
et peuvent être soumi
s
e
s
à
des tempé
r
at
ure
s
de l’o
rdre de 450
°C.
Les p
a
rtie
s
chaud
es
sont
quant à ell
e
s
située
s à l’a
rrière d
e
la cha
m
bre
de com
bustio
n
. Ce
s
pièces
se trouvent
dan
s le flux
de g
a
z t
r
ès cha
ud. E
lle
s sont d
o
n
c
cla
ssi
que
me
nt sou
m
ises à de
s
température
s
pouvant atteindre d
e
900
à 1200
°C.

Les m
a
téri
au
x utilisés
po
ur
cette appl
ication
ont
é
v
olué ave
c
l
e
temp
s, en
passa
nt de
s
acie
rs
inoxydable
s

aux sup
e
ralliage
s ba
se ni
ckel à la mi
crostru
c
tu
re trè
s
élab
orée et
pré
s
enta
n
t une trè
s

gran
de rési
st
ance à haute
température.


L’Inco
nel 7
3
8
est u
n

sup
e
ralliage
ba
se
nickel p
o
ssé
d
ant une
forte
prop
ortio
n
de
pha
se
durci
ssante

de type γ
’.
Ses p
r
op
riét
és m
é
caniq
u
e
s él
evée
s
et
sa t
r
è
s

bonn
e rési
st
ance aux
h
autes

température
s
font de lui un matériau id
é
a
l pour

ce
rtai
nes a
ppli
c
atio
ns aé
ron
autiq
ues.
Cep
end
ant, son utilisatio
n
est aujou
rd’
hui freiné
e p
a
r de
s probl
èmes
de sou
dabilité. Malg
ré de
nomb
r
eu
se
s
étude
s, l’Inco
nel 738 reste
très difficile
ment sou
dab
le, des fissures se forma
n
t
très
souve
n
t lors de
ce
p
r
o
c
édé.
Ce
ma
nque
de
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dabilité
co
nst
i
tue un
vérit
able
pro
b
lèm
e
po
ur
l’utilisation
de ce m
a
tériau
car on ne peut ni le
réparer par
rechargement,
ni
concevoi
r des pièces
assembl
é
e
s
par soud
age.


1 I
n
tr
o
d
u
c
ti
o
n


Au cou
r
s d
u
pro
c
é

de fabri
c
atio
n de
s di
stri
buteurs
(figu
r
e 1
), de
s i
ndication
s (crique
s,
retassu
r
e
s

)
app
araissent
à to
us le
s
stade
s d
e
la

fa
brication.
Ce
rtaines de
ces indi
cation
s
sont
actuell
e
ment
répa
rée
s
pa
r un p
r
océdé
de bra
s
a
ge.
Cepen
dant
, par ce p
r
o
c
éd
é, il n’est
pas
possibl
e d’ob
tenir de
s ca
ractéri
s
tiqu
es
méca
niqu
es
comp
arable
s
à
celle
s
du
matériau initial. Ces
répa
ratio
n
s
sont don
c limitées a
u
x parti
es le
s moin
s solli
citée
s
de
s piè
c
e
s
.
De la mêm
e
maniè
r
e, en
servi
c
e, les
p
i
èce
s
s
ubi
sse
n
t de fortes
contrainte
s th
ermo
-mé
c
a
n
i
ques

qui peuve
n
t entraîne
r
leur
usu
r
e ou
con
duire à l’a
ppa
rition de fissu
r
es.
La mise au
point d’u
n
pro
c
éd
é d
e
so
uda
ge
pour
ce
ma
tériau p
e
rm
e
ttrait d’envisager l
a

récupé
ratio
n
et
la resta
u
ration
d
e
ce
s
piè
c
e
s

e
n
réalisant d
e
s
recha
r
gem
en
ts cond
uisant
à d
e
s
caracté
r
i
s
tiqu
es égal
es à celles du maté
riau initia
l et don
c d’envisager la répa
ration de zo
ne
s plus
fortement sou
m
ise
s
à de
s contrainte
s the
r
mo-mé
c
ani
q
ues.

C’e
s
t dan
s
cette o
p
tiqu
e que
cette étude
a ét
é initiée.
Depui
s de
no
mbre
uses
a
nnée
s,
TURB
OMECA a entre
pri
s

des
re
che
r
ch
es [10, 5
5
, 5
4
] dan
s le b
u
t
de dévelo
p
p
e
r de
s
pro
c
é
dés
de
soudage
adaptés à cette famille
de
m
a
tériaux.
Ces études
ainsi
que celle
s présentées
dans l
a

littérature ont permi
s de définir plusieurs approches
susceptibles d’
améliorer la s
oudabilité de ces
matéria
u
x.
Ainsi,
il
a par exemple été con
s
taté
que
l’utilisatio
n d
e
métaux
d’a
pport
du
ctiles, ou

encore

qu
e l’application
de
p
r
o
c
éd
ures pa
rticuliè
res vi
sant
à
rédui
re
le
d
é
velopp
emen
t des
contrainte
s ré
sidu
elle
s, limitaient forteme
n
t l’apparitio
n
des fissu
r
es.


L’obje
c
tif de l’étude ra
ppo
rtée dans
ce
mémoire de
thèse est de
définir le
s co
ndition
s perm
e
ttant
d’effectue
r d
e
s
o
pération
s

de recha
r
ge
ment pa
r
so
u
dage

de

l’Inconel 738, en tenant compt
e

au
ssi
bien de
s con
d
itions d
e
so
udag
e que d
e
s
traiteme
nts
pré et po
st so
udag
e.

L’étude
com
porte u
ne p
a
rtie expé
rim
entale imp
o
rt
ante rel
a
tive aux essai
s
de recharg
e
ment

pré
c
éd
és et
suivis d
e
trait
e
ments th
ermique
s,
desti
née à la com
p
réh
e
n
s
ion d
e
s mé
ca
nism
es de

fissu
ration, ai
nsi qu’u
ne pa
rtie con
s
a
c

e à la simulat
i
on numé
r
iqu
e
du pro
c
éd
é
et dont le but es
t
de pré
d
ire la fissuratio
n.

Dan
s
u
n
p
r
e
m
ier
cha
p
itre
, les dive
rses facettes re
prése
n
tatives d
e
la p
r
obl
ém
atique d
u
so
udag
e
des
sup
e
ralli
age
s ba
se ni
ckel forteme
n
t cha
r

s e
n
élément
s d
u
rci
s
sant
s on
t été abord
é
es de

manière à faire ressortir l
e
s thèm
es i
m
pliqué
s dans une am
éli
o
ration
de la soudabilité
de ces
alliage
s.

Le deuxièm
e
chapitre a trait aux micro
s
tru
c
tures
et
aux caracté
r
i
s
tique
s mé
ca
nique
s de l’In
c
on
el
738, ainsi q
u

à
leurs évolu
t
ions, lorsqu’i
l
est s
oumi
s
à des mainti
ens isothe
rm
es ou à de
s cycle
s

thermiq
u
e
s
ra
pide
s com
m
e
dans le
s op
é
r
ation
s
de so
udag
e.

Le troi
sième
cha
p
itre
se p
r
opo
se
de co
rrél
e
r le
s différent
s états
métallurgique
s susceptibl
e
s d’être

obtenu
s et p
r
ése
n
tés
dan
s le cha
p
itre 2
,
avec la
sen
s
ibilité de l’In
c
on
el 738
à l
a
fissuratio
n. Ce
2

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