A microstructure sensitive approach for the prediction of the creep behaviour and life under complex loading paths

International audienceThe prediction of the creep behaviour and life of components of aeronautic engines like high pressure turbine blades is still a challenging issue due to non-isothermal loadings. Indeed, certification procedures of turboshaft engines for helicopters consist of complex thermomechanical histories, sometimes including short and very high temperature excursions close to the γ'-solvus (T~1200°C) of the blade alloy. A better design of those components could be gained using a model that takes into account non-isothermal loadings inducing microstructural changes. Most of the commonly used models consider only a nearly constant (or slowly evolving) microstructure, i.e. far from the rapid microstructure evolutions encountered during close γ'-solvus overheatings where a rapid dissolution/precipitation of the γ'-phase and fast recovery mechanisms were observed by Cormier et al. (2007b). A new constitutive modelling approach was hence recently proposed in a crystal viscoplasticity framework to capture the transient effects of such rapid microstructure evolutions on the creep behaviour and life (Cormierand Cailletaud (2010a)). In this article, an updated version of this model is detailed. Special attention will be paid to (i) the effect of the accumulated plastic strain on the microstructure evolution, (ii) the introduction of an additional damage formulation, and (iii) the creep strain at failure. The performances of the model are illustrated on the basis of isothermal or complex non-isothermal creep experiments performed on nearly [001] oriented samples

Mechanical behavior and creep life of crystal superalloys : crystal anisotropy and microstructure evolutions

La tenue au fluage des aubes de turbine haute pression est une problématique de premier ordre vis-à-visde la certification d'un turbomoteur d’hélicoptère. Les excellentes propriétés mécaniques à hautes températuresdes superalliages monocristallins base nickel en font les matériaux les plus utilisés pour la fabrication de cesaubes. Pour ces composants, les exigences réglementaires de certification imposent la réalisation d’essaisanisothermes, plus sévères que les conditions de fonctionnement en service, basés sur le mixage de différentsrégimes de fonctionnement d’un hélicoptère.L’enjeu de cette thèse est de mieux prédire le comportement mécanique et la durée de vie de cesmatériaux lors d’essais de certification des moteurs d’hélicoptères présentant des endommagementsprépondérants de type fluage grâce à l’établissement d’un modèle de comportement et d’endommagement. Cemodèle doit intégrer les effets transitoires de comportement mécanique et les effets d’anisotropie ; il doit êtreprédictif en termes de durée de vie et doit être apte à modéliser de manière satisfaisante les allongementsrencontrés lors de chargements complexes.Le premier objectif a été d’étudier l’impact de l’anisotropie cristalline sur les propriétés en fluageisotherme, puis son impact en conditions de fluage anisotherme à haute température.Le second objectif fut la formulation d’une modélisation mécanique du comportement en fluage sous trajets dechargements complexes à l’aide du modèle POLYSTAR, modèle de plasticité cristalline couplécomportement/endommagement et enrichi de nouvelles variables internes représentant explicitement lesévolutions rapides de microstructure.The creep of high pressure turbine blades is a critical issue for the certification of a helicopter turboshaftengine. Due to their excellent mechanical properties at high temperatures, nickel-based single crystalsuperalloys are widely used for the manufacturing of these blades. For these components, certificationrequirements include non-isothermal conditions based on the mixing of different operating conditions (cruise,take-off …), conditions much more damaging than standard isothermal conditions used conventionally inlaboratories.The aim of this thesis is to get a better prediction of the mechanical behavior and creep life of thesematerials during certification procedure of helicopter turboshaft engines under which creep is the main lifelimiting factor. For this, a new constitutive modeling approach has been used for the creep behavior and damageevolution. This model includes the impact of microstructure evolutions and the impact of the crystal anisotropyon the mechanical behavior and creep life.The first objective was to study the impact of crystalline anisotropy on the isothermal creep propertiesand its impact in terms of non-isothermal creep at high temperatures.The second objective was to propose a mechanical modeling of the creep behavior under complex loads pathsusing POLYSTAR model, a crystal plasticity model including a coupling between creep behavior and creepdamage and new internal variables explicitly representing rapid changes in the precipitation state

Modélisation du fluage des superalliages monocristallins : effets d'anisotropie et de microstructure

The creep of high pressure turbine blades is a critical issue for the certification of a helicopter turboshaftengine. Due to their excellent mechanical properties at high temperatures, nickel-based single crystalsuperalloys are widely used for the manufacturing of these blades. For these components, certificationrequirements include non-isothermal conditions based on the mixing of different operating conditions (cruise,take-off …), conditions much more damaging than standard isothermal conditions used conventionally inlaboratories.The aim of this thesis is to get a better prediction of the mechanical behavior and creep life of thesematerials during certification procedure of helicopter turboshaft engines under which creep is the main lifelimiting factor. For this, a new constitutive modeling approach has been used for the creep behavior and damageevolution. This model includes the impact of microstructure evolutions and the impact of the crystal anisotropyon the mechanical behavior and creep life.The first objective was to study the impact of crystalline anisotropy on the isothermal creep propertiesand its impact in terms of non-isothermal creep at high temperatures.The second objective was to propose a mechanical modeling of the creep behavior under complex loads pathsusing POLYSTAR model, a crystal plasticity model including a coupling between creep behavior and creepdamage and new internal variables explicitly representing rapid changes in the precipitation state.La tenue au fluage des aubes de turbine haute pression est une problématique de premier ordre vis-à-visde la certification d'un turbomoteur d’hélicoptère. Les excellentes propriétés mécaniques à hautes températuresdes superalliages monocristallins base nickel en font les matériaux les plus utilisés pour la fabrication de cesaubes. Pour ces composants, les exigences réglementaires de certification imposent la réalisation d’essaisanisothermes, plus sévères que les conditions de fonctionnement en service, basés sur le mixage de différentsrégimes de fonctionnement d’un hélicoptère.L’enjeu de cette thèse est de mieux prédire le comportement mécanique et la durée de vie de cesmatériaux lors d’essais de certification des moteurs d’hélicoptères présentant des endommagementsprépondérants de type fluage grâce à l’établissement d’un modèle de comportement et d’endommagement. Cemodèle doit intégrer les effets transitoires de comportement mécanique et les effets d’anisotropie ; il doit êtreprédictif en termes de durée de vie et doit être apte à modéliser de manière satisfaisante les allongementsrencontrés lors de chargements complexes.Le premier objectif a été d’étudier l’impact de l’anisotropie cristalline sur les propriétés en fluageisotherme, puis son impact en conditions de fluage anisotherme à haute température.Le second objectif fut la formulation d’une modélisation mécanique du comportement en fluage sous trajets dechargements complexes à l’aide du modèle POLYSTAR, modèle de plasticité cristalline couplécomportement/endommagement et enrichi de nouvelles variables internes représentant explicitement lesévolutions rapides de microstructure