Thomas PERRIN – Vieillissement en service d'alliages d'aluminium à durcissement structural : évolution microstructurale et propriétés mécaniques associées

Jury

Mme Myriam DUMONT : Professeure des universités, Ecole nationale supérieure d'arts et métiers, Rapporteure.
Mr. Vladimir ESIN : Professeur des universités, Université de Lorraine, Rapporteur.
Mr. Joël DOUIN : Directeur de recherche, CNRS Occitanie Ouest, Examinateur.
Mr. Guilhem MARTIN : Maître de conférences, UGA, Examinateur.
Mr. Frédéric DE GEUSER : Directeur de recherche, CNRS Alpes, Directeur de thèse.
Mr. Pierre HEUGUE : Ingénieur docteur, Safran Transmission Systems, Invité.
 

Abstract

Les carters et couvercles des boîtes de transmission de puissance des turboréacteurs aéronautiques sont principalement fabriqués à partir d’alliages d’aluminium durcis par précipitation. L'une des exigences critiques en matière de conception est leur résistance au vieillissement thermique pendant le fonctionnement en raison des températures élevées de l’huile contenue dans ces pièces. Les nanoprécipités de ces alliages subissent une évolution lors du vieillissement thermique qui entraîne une dégradation des propriétés mécaniques. La compréhension de cette évolution microstructurale et de ses effets sur les propriétés mécaniques sur des périodes pouvant aller jusqu'à 100 000 heures (soit environ 10 ans) est essentielle pour le dimensionnement et la prédiction de la durée de vie de ces composants. La réalisation d'essais expérimentaux sur des durées de vieillissement thermique supérieures à 20 000 heures étant incompatible avec les contraintes des calendriers de développement, il est nécessaire de développer des approches prédictives fiables. Une base de données expérimentales conséquente est nécessaire pour mettre en place et valider de tels modèles prédictifs. Ces travaux de thèses ont consisté à étudier l'évolution des propriétés mécaniques, via un volume important de données expérimentales obtenues à partir d’échantillons soumis à un vieillissement sous gradient de température pour des durées allant jusqu’à 10 000 heures. Ce vieillissement sous gradient thermique a permis de caractériser les évolutions mécaniques et microstructurales sur un spectre continu de températures de vieillissement (de 165°C à 245°C), en s’appuyant notamment sur des techniques de caractérisation à haut débit telles que la diffusion centrale des rayons X à petits angles (SAXS) et à grands angles (WAXS), ou la mesure de profils de dureté. Des vieillissements complémentaires réalisés à température constante ont également permis d’établir des corrélations entre les évolutions de la dureté et des propriétés mécaniques en traction (limite d’élasticité, contrainte à rupture), permettant la prédiction des propriétés en traction à partir des données de dureté obtenues sur les échantillons soumis à un gradient de température de vieillissement. Des analyses locales complémentaires, réalisées en microscopie électronique en transmission (MET) et en sonde atomique tomographique (SAT), ont ponctuellement été utilisées afin de mieux comprendre les mécanismes microstructuraux associés au survieillissement. Cette méthodologie a été appliquée à deux alliages d’aluminium corroyés (2219-T851 et 2618A-T851) et un alliage de fonderie (A357+1wt%Cu-T7), actuellement utilisés ou susceptibles de l’être pour ce type d’applications. Des comportements distincts, impliquant des phénomènes complexes en plus de la croissance et de la coalescence des précipités (tels que des transformations de phases et la stabilisation de précipités métastables) ont été observés dans les différents alliages. La modélisation cinétique via des équivalences temps-température a cependant donné des résultats cohérents, permettant ainsi la prédiction de l’évolution cinétique des propriétés mécaniques des différents alliages pour la gamme de températures étudiée.