Comportement à haute température du superalliage Udimet 720 élaboré par Métallurgie des Poudres et optimisé pour la tenue en fluage

Le développement des réacteurs nucléaires « haute température » fonctionnant à cycle direct sous hélium implique de nouvelles exigences pour les matériaux de structure du réacteur. Ainsi les disques de turbine de diamètre 1,3 m sont sollicités à 700°C pendant 60000 h sans maintenance. L'alliage Udimet 720, par ses propriétés intrinsèques et par son usage courant dans l'industrie aéronautique, constitue un bon candidat à la condition expresse de pouvoir fabriquer de grands disques avec l'homogénéité microstructurale requise. Pour ces disques de grand diamètre, l'élaboration par Métallurgie des Poudres (MdP) apparaît comme une voie prometteuse pour la fabrication des demi-produits sans macroségrégation. Cependant ce procédé ne permet pas d'obtenir une taille de grain suffisante pour répondre au cahier des charges en fluage. Dans cette perspective, un cycle de Compression Isostatique à Chaud (CIC) découplé en température et pression a été appliqué à la poudre. On obtient une microstructure présentant une taille de grain supérieure à celle de l'Udimet 720 MdP consolidé par un cycle de CIC conventionnel. L'objectif de cette thèse est d'étudier le comportement à haute température de cet alliage. Les observations par microscopie ont révélé une structure composée de grains fins d'une taille d'environ 20 5m associée à des gros grains dont la taille peut atteindre 80 5m, répartis de façon homogène. Les observations ont également montré que la majorité des joints de grains ne sont pas contigus avec les frontières des anciennes particules de poudre (PPB pour Prior Particles Boundaries). Par ailleurs, l'application de traitements thermiques post-CIC conventionnels permet d'obtenir une précipitation g' composée de deux populations de précipités de tailles différentes. L'étude des propriétés à haute température de l'alliage a révélé un comportement en fluage à 700°C et 750°C proche de celui d'une nuance forgée à gros grains et donc une résistance en fluage fortement augmentée par rapport à l'Udimet MdP consolidé par un cycle de CIC conventionnel. L'accroissement du temps à rupture observé en fluage est attribué d'une part au découplage des joints de grains avec les PPB, diminuant ainsi le nombre de sites d'endommagement, et d'autre part à l'augmentation de taille de grain limitant la déformation par glissement intergranulaire. Dans la gamme de contraintes prospectée, les résultats ont montré que la vitesse de déformation est contrôlée par des mécanismes de déformation dislocationnels avec principalement du contournement d'Orowan. La déformation à haute température de l'alliage étudié a été modélisée. Le modèle utilisé est basé sur l'évolution de la densité de dislocations. La valeur des différents paramètres mis en jeu a été estimée ou encadrée à partir des caractéristiques physiques de l'alliage puis ajustée sur la partie primaire et secondaire de trois courbes de fluage. Le jeu de paramètres obtenu a ensuite été employé pour simuler les courbes de fluage aux différentes contraintes ainsi que les courbes de traction à trois vitesses de déformation différentes. Les résultats ont montré que le modèle décrit bien le fluage primaire et secondaire du matériau ainsi que la traction à basse vitesse. Ce modèle nous a permis de prévoir le comportement en fluage du matériau quand la précipitation g' est modifiée par une variation des traitements thermiques post-CIC. ABSTRACT : Superalloy Udimet 720 is considered for the fabrication of high temperature turbine disks for nuclear Helium cooled reactor. The Powder Metallurgy (P/M) route appears as a promising route to manufacture semi-finished product without macrosegregations but with a very fine grains size that is not easily coarsened by conventional supersolvus heat treatment. In this study, we have developed a P/M coarse grain U720 with improved creep resistance. A specific HIP (Hot Isostatic Pressing) cycle has been applied to the powder to coarsen the grain over the Prior Particle Boundaries (PPB). A subsequent high temperature heat treatment is then applied to increase the grain size up to 80 µm. Creep tests conducted at 700°C and 750°C on this microstructure showed a behavior close to a coarse grain cast and wrought grade with a creep resistance highly improved when compared to a classical P/M grade. A creep model based on physical parameters has been developed to describe the behavior of the material

Modelling the plastic deformation during high-temperature creep of a powder-metallurgy coarse-grained superalloy

The study of creep deformation in a coarse-grained Udimet 720 superalloy obtained by powder-metallurgy reveals a good resistance associated to a dislocational deformation mechanism. A model is proposed for simulating creep and tensile curves. This model is used to understand the effect of microstructural changes on the deformation mechanisms

Nucleation and Growth Dynamics of the α-Al / β-Al5FeSi Eutectic in a Complex Al-Si-Cu-Fe Alloy

Secondary-sourced recycled aluminium alloys can exhibit high levels of different impurities. It is well known that the presence of iron, the most common impurity, can lead to the formation of hard and brittle intermetallic phases which are detrimental to the machining properties and the mechanical behaviour of the material in service. The purpose of this work is to study the nucleation and growth of the β-Al5FeSi intermetallic phase in the framework of the eutectic reaction: Liquid → α-Al + β-Al5FeSi. In situ X-ray microtomography has been used to investigate the formation of the irregular eutectic β-phase plates during the solidification at low cooling rate of an Al-8Si-4Cu-0.8Fe alloy. The results show that only a few plates form, nucleating early near the sample surface. Next, growth occurs very rapidly in the principal growth direction and slowly in the thickness direction. The plates are highly branched and appear to form as a divorced eutectic, i.e. not coupled with the α-Al. These features are inconsistent with the common irregular eutectic solidification theory based on the Jackson and Hunt model

A comparative study of additive manufacturing techniques: Residual stress and microstructural analysis of CLAD and WAAM printed Ti-6Al-4V components

Nowadays, there is a great manufacturing trend in producing higher quality net-shape components of challenging geometries. One of the major challenges faced by additive manufacturing (AM) is the residual stresses generated during AM part fabrication often leading to unacceptable distortions and degradation of mechanical properties. Therefore, gaining insight into residual strain/stress distribution is essential for ensuring acceptable quality and performance of high-tech AM parts. This research is aimed at comparing microstructure and residual stress built-up in Ti–6Al–4V AM components produced by Wire + Arc Additive Manufacturing (WAAM) and by laser cladding process (CLAD)

Comportement à haute température du superalliage Udimet 720 élaboré par métallurgie des poudres et optimisé pour la tenue en fluage

Le développement des réacteurs nucléaires haute température fonctionnant à cycle direct sous hélium implique de nouvelles exigences pour les matériaux de structure du réacteur. Ainsi les disques de turbine de diamètre 1,3 m sont sollicités à 700C pendant 60000 h sans maintenance. L'alliage Udimet 720, par ses propriétés intrinsèques et par son usage courant dans l'industrie aéronautique, constitue un bon candidat à la condition expresse de pouvoir fabriquer de grands disques avec l'homogénéité microstructurale requise. Pour ces disques de grand diamètre, l'élaboration par Métallurgie des Poudres (MdP) apparaît comme une voie prometteuse pour la fabrication des demi-produits sans macroségrégation. Cependant ce procédé ne permet pas d'obtenir une taille de grain suffisante pour répondre au cahier des charges en fluage. Dans cette perspective, un cycle de Compression Isostatique à Chaud (CIC) découplé en température et pression a été appliqué à la poudre. On obtient une microstructure présentant une taille de grain supérieure à celle de l'Udimet 720 MdP consolidé par un cycle de CIC conventionnel. L'objectif de cette thèse est d'étudier le comportement à haute température de cet alliage. Les observations par microscopie ont révélé une structure composée de grains fins d'une taille d'environ 20 5m associée à des gros grains dont la taille peut atteindre 80 5m, répartis de façon homogène. Les observations ont également montré que la majorité des joints de grains ne sont pas contigus avec les frontières des anciennes particules de poudre (PPB pour Prior Particles Boundaries). Par ailleurs, l'application de traitements thermiques post-CIC conventionnels permet d'obtenir une précipitation g' composée de deux populations de précipités de tailles différentes. L'étude des propriétés à haute température de l'alliage a révélé un comportement en fluage à 700C et 750C proche de celui d'une nuance forgée à gros grains et donc une résistance en fluage fortement augmentée par rapport à l'Udimet MdP consolidé par un cycle de CIC conventionnel. L'accroissement du temps à rupture observé en fluage est attribué d'une part au découplage des joints de grains avec les PPB, diminuant ainsi le nombre de sites d'endommagement, et d'autre part à l'augmentation de taille de grain limitant la déformation par glissement intergranulaire. Dans la gamme de contraintes prospectée, les résultats ont montré que la vitesse de déformation est contrôlée par des mécanismes de déformation dislocationnels avec principalement du contournement d'Orowan. La déformation à haute température de l'alliage étudié a été modélisée. Le modèle utilisé est basé sur l'évolution de la densité de dislocations. La valeur des différents paramètres mis en jeu a été estimée ou encadrée à partir des caractéristiques physiques de l'alliage puis ajustée sur la partie primaire et secondaire de trois courbes de fluage. Le jeu de paramètres obtenu a ensuite été employé pour simuler les courbes de fluage aux différentes contraintes ainsi que les courbes de traction à trois vitesses de déformation différentes. Les résultats ont montré que le modèle décrit bien le fluage primaire et secondaire du matériau ainsi que la traction à basse vitesse. Ce modèle nous a permis de prévoir le comportement en fluage du matériau quand la précipitation g' est modifiée par une variation des traitements thermiques post-CICSuperalloy Udimet 720 is considered for the fabrication of high temperature turbine disks for nuclear Helium cooled reactor. The Powder Metallurgy (P/M) route appears as a promising route to manufacture semi-finished product without macrosegregations but with a very fine grains size that is not easily coarsened by conventional supersolvus heat treatment. In this study, we have developed a P/M coarse grain U720 with improved creep resistance. A specific HIP (Hot Isostatic Pressing) cycle has been applied to the powder to coarsen the grain over the Prior Particle Boundaries (PPB). A subsequent high temperature heat treatment is then applied to increase the grain size up to 80 m. Creep tests conducted at 700C and 750C on this microstructure showed a behavior close to a coarse grain cast and wrought grade with a creep resistance highly improved when compared to a classical P/M grade. A creep model based on physical parameters has been developed to describe the behavior of the materialTOULOUSE-ENSIACET (315552325) / SudocSudocFranceF

Modelling the plastic deformation during high-temperature creep of a powder-metallurgy coarse-grained superalloy

International audienceThe study of creep deformation in a coarse-grained Udimet 720 superalloy obtained by powder-metallurgy reveals a good resistance associated to a dislocational deformation mechanism. A model is proposed for simulating creep and tensile curves. This model is used to understand the effect of microstructural changes on the deformation mechanisms

Using X-ray microtomography to evaluate cavity formation in a superplastic magnesium alloy processed by equal-channel angular pressing

The magnesium AZ31 alloy exhibits excellent superplastic properties after processing by equal-channel angular pressing (ECAP) and testing in tension at a temperature of 623 K. Experiments show that there is an increase in the elongations to failure with increasing numbers of passes in ECAP. X-ray microtomography was used to obtain detailed information on the morphologies of cavities developed during superplastic flow and the results were analyzed in terms of the different possible cavity growth mechanisms. The results show that superplastic elongations are attained in this alloy because the finer grain structure introduced by ECAP is associated with lower flow stresses in tensile testing at elevated temperatures and this leads to a reduction in the rate of growth of internal cavities.<br/

In Situ X-Ray Microtomography Investigation of the Deformation Mechanisms of Al-Cu Alloys in the Semi-Solid State

International audienceno abstrac

4D nano tomography for fundamental studies in solidification of Al based alloys

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