Fatigue thermique d'un alliage pour aubes de turbopompe astronautique : le Superwaspaloy

In this study, we evaluate the thermal fatigue resistance of Superwaspaloy and we model its damage in such loading to provide the industrial partner (SEP) "tools" to evaluate the lifetime of blades of turbo engine VULCAIN. First, the damage of Superwaspaloy was studied by considering a volume element subjected to various critical mechanical and thermal loads. Life material is discussed considering the influence of various parameters: type of stress, temperature, frequency of loading and environment. From micrographic observations, we identify the damage mechanisms and explain their dependence on parameters of test conditions. Comparing the results of isothermal and anisothermal low cycle fatigue tests allows us to better understand the mechanisms involved in anisothermal fatigue and identify some trends to model life. Then the Superwaspaloy is studied by thermal fatigue on a specially design thermal fatigue rig. We exhibit the results for two specimen geometries with emphasis on mechanisms of cracks initiation and propagation. On the basis of metallographic observations, we propose a description of material damage in the case of cyclic thermal loading. Finally, we outline the damage modelling of Superwaspaloy under thermal fatigue. We suggest two models based on damage mechanics to describe the life of thermal fatigue test. The first one is based on the theory of internal variable of damage (Chaboche model) and evaluates the rupture of specimens considering the cumulative fatigue damage and creep. The second one describes the progress of a crack in the rupture of a microstructural element considering the interaction of fatigue damage, creep and oxidation. These two models are identified and tested using the results obtained with isothermal tests and anisothermal low cycle fatigue. Finally, they are applied to thermal fatigue of structures to verify their ability to assess the damage of the material.Dans cette étude, nous évaluons la résistance à la fatigue thermique du Superwaspaloy et modélisons son endommagement sous de telles sollicitations afin de fournir au partenaire industriel (SEP) des “outils” permettant d'évaluer la durée de vie des aubes des turbopompes du moteur VULCAIN. L'endommagement du Superwaspaloy est d'abord étudié en considérant un élément de volume critique soumis à différents chargements mécanothermiques. L'endurance du matériau est discutée en rendant compte de l'influence de divers paramètres : type de sollicitation, température d'essai, fréquence de sollicitation, environnement. A partir des observations micrographiques, nous identifions les mécanismes d'endommagement et expliquons leur dépendance des paramètres de sollicitation. La comparaison des résultats de fatigue oligocyclique isotherme et anisotherme nous permet de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu en fatigue anisotherme et de dégager quelques tendances pour modéliser la durée de vie. Le Superwaspaloy est ensuite étudié en fatigue thermique sur un banc de fatigue thermique de conception originale. Nous exposons les résultats obtenus pour deux géométries d'éprouvette en insistant sur les mécanismes d'amorçage et de propagation des fissures. Sur la base d'observations métallographiques, nous proposons une description de l'endommagement du matériau dans le cas de sollicitations thermiques cycliques. Enfin, nous exposons la modélisation de l'endommagement du Superwaspaloy en fatigue thermique. Nous proposons deux modèles basés sur la mécanique de l'endommagement pour décrire la durée de vie des éprouvettes de fatigue thermique. Le premier repose sur la théorie de la variable interne du dommage au sens de Chaboche, et évalue la ruine des éprouvettes en considéra nt le cumul des dommages de fatigue et de fluage. Le second décrit l'avancée d'une fissure par la ruine d'un élément microstructural sous l'interaction des dommages de fatigue, de fluage et d'oxydation. Ces deux modèles sont identifiés et testés à l'aide des résultats obtenus en fatigue oligocyclique isotherme et anisotherme. Finalement, ils sont appliqués aux structures de fatigue thermique pour vérifier leur aptitude à évaluer l'endommagement du matériau