Marie Agathe Charpagne

Les alliages à base Nickel polycristallins sont largement utilisés pour les pièces aéronautiques soumises à des sollicitations extrêmes en service. Des objectifs toujours plus ambitieux en termes de rendement énergétique des moteurs d’avions ont conduit les constructeurs à augmenter leur température de fonctionnement. Les nuances utilisées jusqu’alors dans les parties chaudes, tels que l’Inconel 718, n’ont pas une tenue mécanique suffisante à ces températures. Le René 65 est un nouvel alliage à microstructure γ-γ’ élaboré spécifiquement pour ces applications. Il a été retenu par Safran Aircraft Engines comme constituant des disques de turbine basse pression du nouveau turboréacteur LEAP. Pour garantir la bonne tenue des disques, une microstructure fine et homogène est requise. Le procédé de forgeage de ces pièces est une séquence d’étapes de déformation à chaud et de traitements thermiques, durant lesquelles la microstructure évolue. Si les phénomènes physiques gouvernant les évolutions microstructurales sont connus, leurs mécanismes exacts et leurs cinétiques varient d’un alliage à l’autre.Des essais de déformation à chaud ont été réalisés en laboratoire dans différentes conditions de température, vitesse et taux de déformation représentatifs des procédés industriels. L’étude précise des mécanismes de recristallisation dynamique, ainsi que de leurs cinétiques, constitue la première partie de ce travail. La caractérisation fine des microstructures déformées a permis de mettre en évidence un nouveau mécanisme de recristallisation, dit de recristallisation en hétéroépitaxie, qui se superpose aux autres mécanismes conventionnels. L’interaction entre ces différents mécanismes ainsi que leurs cinétiques relatives ont été établies dans une vaste gamme de conditions de déformation. Il est démontré que ce mécanisme de recristallisation s'applique également à d'autres alliages γ-γ’. La deuxième partie de l’étude est consacrée à la stabilité des microstructures déformées lors de leur exposition à haute température. L'alliage René 65, comme d’autres alliages à base Nickel, est sensible à un phénomène indésirable dit de croissance sélective de grains. Ses conditions de déclenchement ont été déterminées, de manière à délimiter une fenêtre de forgeage critique. Les mécanismes microstructuraux à l’origine de ce phénomène ont été discutés, ainsi que la possibilité d’une solution préventive.

Recrystallizing additive manufactured alloys, such as stainless steels or nickel-base superalloys, requires high homologous temperatures and longer annealing times compared with their wrought counterpart. Subject to thermal cycling during printing, additive manufactured alloys retain thermal strain equivalent to a few percent stored under the form of dislocation cell structures, an inherent driving force to recrystallization. Opposing effects such as solute drag and grain boundary particle pinning have been proposed to explain the sluggish recrystallization kinetics. Here, we decouple these antagonist effects by characterizing the recrystallization mechanisms of commercially pure nickel fabricated by laser powder bed fusion. We observe sluggish recrystallization and rationalize this finding via multi-scale electron microscopy on interrupted annealing treatments. While cellular structures promote the necessary driving force for nucleation and strain-induced boundary migration, they simultaneously hinder the migration of the front by forming stable arrangements during annealing. The recrystallized microstructure presents relatively large twin-related domains with remnant crystallographic texture, drastically differing from wrought FCC alloys. Annealing twinning actively participates in boundary migration but is limited because of unfavorable curvature at the recrystallization front as it is pinned by dislocation cell structures. These findings can reasonably be generalized to most FCC alloys fabricated via AM.