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Fiche descriptive du sujet de thèse

Évolution de microstructure d'un système superalliage monocristallin base Ni revêtu y-y' en conditions de fatigue thermomécanique

Évolution de microstructure d'un système superalliage monocristallin base Ni revêtu y-y' en conditions de fatigue thermomécanique

Microstructure evolution of a y-y' coated Ni-based single crystal superalloy system under thermomechanical fatigue conditions

Proposition de thèse

Spécialité

Sciences et génie des matériaux

Ecole doctorale

Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique

Directeur de thèse

MAUREL Vincent

Unité de recherche

Centre des Matériaux

ContactVincent MAUREL
Date de validité

01/10/2021

Site Webhttp://www.mat.mines-paristech.fr/Accueil/Propositions-de-theses/
Mots-clés

Revêtement, Superalliage, Microstructure, Fatigue thermo-mécanique, Oxydation, Transformation de phase

Coating, Superalloy, Microstruture, thermo-mechanical fatigue, oxidation, phase transformation

Résumé

Cette étude vise à caractériser et comprendre l'évolution de microstructure en fonctionnement d'un système revêtu y-y'/superalliage base Ni monocristallin de 3ème génération. Pour y parvenir, une large gamme d'outils d'analyses microstructurales sera utilisée pour des conditions de sollicitation associant sollicitation thermique cyclique et mécanique. L'objectif est de définir les mécanismes d'évolution de microstructure en fonction de ces paramètres de chargement et ainsi établir un scénario d'évolution de ces microstructures.

This study aims to characterize and understand the evolution of y-y'/superalloys coating system under in-service loading conditions. The substrate material is a Ni base single crystal superalloy of 3rd generation. In depth investigation of microstructure will be achieved combining SEM, EBSD, XRD and TEM analyses.To gain understanding in mechanisms driving the evolution of microstructure, thermal and mechanical cyclic testing will be achieved. The final goal lies in the definition of microstructure evolution in relation with the applied loading parameters, so as to draw a map of optimal condition of use of this new coated/superalloy system solution.

Contexte

Les aubes de turbine haute pression sont désormais conçues en intégrant le système barrière thermique dans les critères de choix des alliages, l'optimisation de leur composition et des traitements thermiques associés. Ainsi, pour obtenir des gains de température significatifs en service on doit pouvoir maîtriser les couplages dans l'évolution de microstructure des superalliages revêtus entre exposition haute température, effet de l'environnement et sollicitations thermo-mécaniques. En effet, d'une zone à l'autre d'une aube, les conditions de température, de contraintes et de déformations varient considérablement pendant le régime stabilisé mais aussi au cours des transitoires thermiques. Sur un système de référence (Ni,Pt)Al / AM1, il a ainsi été mis en évidence l'accélération drastique des transformations de phase et de la ruine de l'échantillon pour des chargements associant contrainte à haute température ou déformation à basse température et cyclage thermique [Sallot 2012].

Le choix de substrat pour les futures générations d'aubage s'est tourné vers l'alliage CMSX-4 Plus aux excellentes propriétés à très haute température (fluage/fatigue-fluage). Cet alliage de 3ème génération, riche en Re, s'il est associé à un revêtement (Ni,Pt)Al, conduit à une déstabilisation drastique de l'alliage sur des zones profondes (plusieurs centaines de microns) par la formation de zones dites 'de réaction secondaires' (SRZ) [Benider 2018]. A l'inverse, si le revêtement utilisé est de type y-y' [Hayashi 2005], des résultats récents montrent l'excellente stabilité de microstructure dans la zone de revêtement sans perturbation apparente du substrat en condition de vieillissement isotherme, de cyclage thermique et d'essais de fluage [Saboundji 2020, Ferreira Rocha 2020]. En outre aucune zone SRZ ni phase favorisant l'amorçage de fissure n'est apparue au cours de ces études. C'est pourquoi cette solution est retenue pour la chimie de ces revêtements. Par ailleurs, des revêtements déposés par méthode PVD avec des compositions NiCrAlSiHf, compositions imposées par la composition de la cible pulvérisée au cours du procédé, permettent de reproduire des structures y-y' où des grains de petite taille permettent d'améliorer la résistance à l'oxydation. C'est cette dernière solution de dépôt qui est retenue dans cette étude.

Encadrement

Directeur de thèse : Vincent Maurel - Centre des Matériaux
Co-encadrant 1 : Sylvain Dépinoy - Centre des Matériaux
Co-encadrant 2 : Loïc Nazé - Centre des Matériaux

Profil candidat

Ingénieur et/ou Master recherche - Bon niveau de culture générale et scientifique. Bon niveau de pratique du français et de l'anglais (niveau B2 ou équivalent minimum).
Bonnes capacités d'analyse, de synthèse, d'innovation et de communication. Qualités d'adaptabilité et de créativité. Capacités pédagogiques. Motivation pour l'activité de recherche. Projet professionnel cohérent.

Pré-requis (compétences spécifiques pour cette thèse) :
Les bases de la métallurgie sont un prérequis indispensable à la réalisation de cette thèse, une expérience pratique des observations de microstructure et des essais mécaniques seront un atout supplémentaire. La pratique des outils d'analyse d'images sera utile au projet.


Pour postuler : Envoyer votre dossier à recrutement_these@mat.mines-paristech.fr comportant
• un curriculum vitae détaillé
• une copie de la carte d'identité ou passeport
• une lettre de motivation/projet personnel
• des relevés de notes L3, M1, M2
• 2 lettres de recommandation
• les noms et les coordonnées d'au moins deux personnes pouvant être contactées pour recommandation
• une attestation de niveau d'anglais

Engineer and / or Master of Science - Good level of general and scientific culture. Good level of knowledge of French (B2 level in french is required) and English. (B2 level in english is required) Good analytical, synthesis, innovation and communication skills. Qualities of adaptability and creativity. Teaching skills. Motivation for research activity. Coherent professional project.

Prerequisite (specific skills for this thesis): Basic metallurgy is an essential prerequisite for this thesis, practical experience with microstructure observations and mechanical testing will be an additional asset. Practice with image analysis tools will be helpful to the project.

Applicants should supply the following :
• a detailed resume
• a copy of the identity card or passport
• a covering letter explaining the applicant’s motivation for the position
• detailed exam results
• two references : the name and contact details of at least two people who could be contacted
• to provide an appreciation of the candidate
• Your notes of M1, M2
• level of English equivalent TOEIC
to be sent to recrutement_these@mat.mines-paristech.fr


Objectif

La connaissance approfondie de ces systèmes reste à établir pour comprendre d'une part l'influence des choix de procédé et de chimie locale sur la durabilité de ces systèmes. D'autre part, le couplage avec l'environnement et les chargements sévères reste à établir pour ces solutions nouvelles et peu analysées dans la littérature disponible.

Références

Audigié, P., et al. (2019). High-temperature cyclic oxidation of Pt-rich γ-γ’bond-coatings. Part II: Effect of Pt and Al on TBC system lifetime. Corrosion Science, 150, 1-8.
Benider, M. (2018). Zones de réaction secondaire (SRZ) dans le revêtement β-(Ni,Pt)Al déposé sur le superalliage CMSX-4 PLUS. DMS Mines ParisTech SAFRAN PFX
Guipont, Vincent, et al. 'Buckling and interface strength analyses of thermal barrier coatings combining Laser Shock Adhesion Test to thermal cycling.' Surface and Coatings Technology 378 (2019): 124938.
Harvey, Mark, et al. (2008). Oxide and TBC spallation in β-NiAl coated systems under mechanical loading. Surface and Coatings Technology 203.5-7: 432-436.
Hayashi, S., et al (2005). Interdiffusion behavior of Pt-modified γ-Ni+ γ′-Ni 3 Al alloys coupled to Ni-Al-based alloys. Metallurgical and Materials Transactions A, 36(7), 1769-1775.
Rocha Ferreira, I. (2020). Évaluation, compréhension et robustesse d’un nouveau système monocristallin: alliage troisième génération revêtu γ-γ’. DMS Mines ParisTech SAFRAN PFX
Saboundji, A., et al. (2020). Development of a New Coating Compatible with Third-Generation Nickel-Based Superalloys and Thermal Barrier Coatings. Superalloys 2020. Springer. 804-812.
Sallot, P. (2012). Modélisation de la durée de vie d'un revêtement aluminoformeur en conditions de sollicitations thermo-mécaniques. Thèse de doctorat Mines ParisTech.

Type financement

Convention CIFRE

Document PDF

https://www.adum.fr/script/downloadfile.pl?type=78&ID=36440

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Fiche descriptive du sujet de thèse - MINES ParisTech
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