Mécanismes et cinétique de croissance de grains dans un superalliage base nickel élaboré par métallurgie des poudres pour disques de turbines de nouvelle génération

La fabrication des disques de turbine en superalliages passe par différentes opérations de déformation à chaud et de traitement thermique au cours desquelles la microstructure évolue. Ces évolutions conditionnent la microstructure finale du matériau, donc la capacité du matériau à soutenir les conditions de température et de contrainte sévères vues en service, et la durée de vie de la pièce.

Afin de repousser encore les températures limites des superalliages employés pour les disques de turbine, des nuances de plus en plus alliées sont évaluées, dont certaines qui sont élaborées par la voie de la métallurgie des poudres. Pour ce type d’alliage la taille de grains maximale atteignable après forgeage et traitements thermiques est généralement limitée par la présence de fines particules d’oxydes (nanométriques) à la surface des grains de poudre initiaux, et qui, in fine, interagissent avec les joints de grains et empêchent les grains de dépasser une certaine taille limite. Cette caractéristique est bénéfique puisque l’application requiert des tailles de grains relativement fines. Cependant, selon les conditions de mise en forme et à des endroits spécifiques de la pièce, il peut apparaître des grains dont la taille dépasse très largement cette valeur limite après traitement thermique.

L’objectif de cette thèse est d’étudier les mécanismes physiques responsables de l’apparition de tels grains, rédhibitoires pour l’application, et leur dépendance aux conditions de mise en forme, dans un superalliage de type γ-γ’ polycristallin élaboré par métallurgie des poudres et envisagé sur un moteur à très hautes performances.

Une approche combinant expériences de laboratoire et analyses d’échantillons industriels sera mise en oeuvre. Les conditions du procédé industriel seront reproduites au moyen d’essais thermomécaniques de laboratoire pour produire des échantillons dont la microstructure sera analysée afin de déterminer les mécanismes actifs et leur dépendance aux conditions thermomécaniques. Une attention particulière sera portée à l’interaction des joints de grains avec les fines particules d’oxyde précitées, dont l’observation nécessitera d’employer des moyens d’analyse microstructurale à fine échelle par microscopie électronique en transmission, en complément de caractérisations par microscopie électronique à balayage et analyse des orientations cristallines par EBSD (diffraction des électrons rétrodiffusés). Selon les besoins, il sera également possible d’effectuer des analyses tridimensionnelles et de mettre en œuvre des traitements thermiques dits « in-situ » pour le suivi d’une zone d’intérêt.

Enfin, les modèles métallurgiques développés par ailleurs dans le cadre du laboratoire commun OPALE et de la chaire RealIMotion pourront également être employés pour tester des hypothèses formulées sur base des observations expérimentales quant à l’influence des caractéristiques topologiques des particules présentes et de leur évolution (taille, quantité, distribution spatiale, éventuelle dissolution et/ou coalescence).