Approches thermo-mécaniques complexes pour l’étude du comportement des alliages haute température

Auteurs: 

V. Bonnand, D. Pacou (ONERA)

Cet article traite des approches thermo-mécaniques complexes développées à l'ONERA dans le cadre des essais de fatigue pour composants de turbines à gaz. L'accent est mis sur les méthodologies expérimentales pour tester les superalliages monocristallins à base Nickel utilisés dans les aubes de turbine à gaz fonctionnant dans des conditions thermiques et mécaniques sévères. Un bref historique rappelle les étapes successives qui ont mené aux développements des essais de fatigue sous chargements thermique et mécanique combinés. Un accent particulier est mis sur les techniques développées pour contrôler de manière fiable et mesurer les champs de température générés par le chauffage par induction. Ensuite une installation de fatigue thermo-mécanique (TMF) de traction-torsion est présentée ainsi que la méthodologie expérimentale associée. Il est montré comment un gradient thermique peut alors être introduit dans les éprouvettes tubulaires pour reproduire la technologie de refroidissement d'air interne des aubes de turbines à gaz modernes. A cet effet, pour augmenter la représentativité des conditions en service, le problème de la fatigue thermo-mécanique couplé avec des gradients thermiques est étudié en utilisant des éprouvettes lisses, multi-perforées et enfin revêtues d'une barrière thermique. Il est montré que ces dispositifs expérimentaux peuvent reproduire les conditions de chargement thermomécaniques réalistes typiques des pièces en service et constituer un moyen puissant pour développer et valider les méthodologies de prévision de durée de vie. Pour finir, l'effet d'une surchauffe qui peut se produire lors d'un régime d’urgence est également abordé. Ce type de dysfonctionnement du moteur est connu pour conduire à une dégradation de la microstructure altérant le comportement du matériau constitutif et sa durée de vie résiduelle. Les complexités supplémentaires liées à l'interaction de fluage-fatigue, les modèles de comportement nécessaires et les défis de calcul sont discutées.constitutive models and the computational challenges are discussed.

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