Mécanique

ISMME - Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique

FOREST Samuel

Centre des Matériaux

26/09/2023

Plasticité cristalline, endommagement intergranulaire, oxydation, éléments finis, champs de phase

Crystal plasticity, intergranular damage, oxidation, finite elements, phase field méthod

L'objectif de la thèse est de développer un outil de modélisation capable de rendre compte, explicitement et de manière couplée, des phénomènes d'endommagement local (microfissures et microcavités) et d'oxydation en lien avec l'initiation et la propagation de fissures intergranulaires. Le matériau support de l'étude sera un superalliage base nickel largement utilisé pour les aubes de la turbine basse pression des moteurs d'avion. Une première partie consiste à introduire une loi de comportement couplée à l'endommagement pour le joint de grains afin de reproduire des cinétiques d'endommagement macroscopiques différentes en fonction de la direction de chargement en fatigue et/ou fluage. La méthode des champs de phase sera utilisée à cet effet.

Dans une seconde partie, une modélisation couplant la diffusion de quelques éléments chimiques, la croissance d'une nouvelle phase (oxyde interne) et le comportement thermomécanique local du milieu hétérogène sera construite.

Finalement, l'approche de modélisation développée durant la thèse sera comparée à des observations expérimentales disponibles sur (i) la cinétique d'entailles/piqûres observées en surface du matériau et (ii) l'effet d'un temps de maintien à haute température sur la cinétique de propagation de fissures intergranulaires.

The objective of the thesis is to develop a modelling and simulation tool capable of accounting, explicitly and in a coupled manner, for the phenomena of local damage (microcracks and microcavities) and oxidation in connection with the initiation and propagation of intergranular cracks. The support material of the study will be a nickel-based superalloy widely used for low-pressure turbine blades in aircraft engines. The first part consists in introducing a damage-coupled consitutive law for the grain boundary in order to reproduce different macroscopic damage kinetics depending on the fatigue and/or creep loading direction. The phase field method will be used for this purpose.

In a second part, a model coupling the diffusion of some chemical elements, the growth of a new phase (internal oxide) and the local thermomechanical behaviour of the heterogeneous medium will be constructed.

Finally, the modelling approach developed during the thesis will be compared with available experimental observations on (i) the kinetics of notching/pitting observed on the surface of the material and (ii) the effect of a high temperature dwell time on the kinetics of intergranular crack propagation.

Les superalliages base nickel sont des matériaux de choix dans les zones les plus chaudes des turbomachines aéronautiques. En fonction du procédé d'élaboration, la pièce peut présenter une microstructure mono-granulaire, de grains colonnaires ou poly-cristalline. Lorsque la microstructure possède des joints de grains, ces derniers peuvent jouer un rôle majeur dans l'initiation et la propagation de micro-fissures dans un certain domaine de chargement thermomécanique [1]. Ce rôle devient d'autant plus prédominant dès lors que des mécanismes de diffusion se déroulent préférentiellement au niveau de ces joints de grains. Pour le cas de l'oxydation, la diffusion de l'oxygène au travers des joints de grains et la réaction avec certains éléments chimiques présents dans le matériau conduit à la génération d'une couche d'oxyde et à des changements de phase locaux. Ces évolutions physico-chimiques du matériau peuvent modifier l'état mécanique local ainsi que la cinétique d'initiation et de coalescence des micro-fissures [1]. La modélisation et la simulation de ces phénomènes est un enjeu majeur aujourd'hui en mécanique des matériaux.

Nickel-based superalloys are the materials of choice in the hottest areas of aeronautical turbomachinery. Depending on the manufacturing process, the part may have a single grain, columnar grain or poly-crystalline microstructure. When the microstructure has grain boundaries, these can play a major role in the initiation and propagation of micro-cracks in a certain thermomechanical loading range [1]. This role becomes even more predominant when diffusion mechanisms occur preferentially at these grain boundaries. In the case of oxidation, the diffusion of oxygen through the grain boundaries and the reaction with certain chemical elements present in the material leads to the generation of an oxide layer and to local phase changes. These physico-chemical changes in the material can modify the local mechanical state as well as the kinetics of initiation and coalescence of micro-cracks [1]. Modelling and simulating these phenomena is a challenging topic in mechanics of materials.

Directeur de thèse : Samuel FOREST - Centre des Matériaux
Co-encadrant : Kaïs AMMAR - Centre des Matériaux
Co-encadrant : Jean-Michel SCHERER - Centre des Matériaux
Co-encadrant externe : Florent COUDON - Safran Tech

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) :
Thermomécanique des matériaux, mécanique numérique, viscoplasticité, lois de comportement.

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):

Thermomechanics of materials, computational mechanics, viscoplasticity, constitutive laws

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

L'objectif de la thèse consiste à développer un outil de modélisation capable de rendre compte, explicitement et de manière couplée, des phénomènes d'endommagement local (microfissures et microcavités) et d'oxydation en lien avec l'initiation et la propagation de fissures intergranulaires. Le matériau support de l'étude sera un superalliage base nickel à solidification dirigée (e.g. le DS200+Hf), largement utilisé pour les aubes de la turbine basse pression des moteurs d'avion.
Une première activité s'attachera à introduire une loi de comportement couplée à l'endommagement pour le joint de grains afin de reproduire des cinétiques d'endommagement macroscopiques différentes en fonction de la direction de chargement en fatigue et/ou fluage [2].

The objective of the thesis is to develop a modelling tool able to account, explicitly and in a coupled manner, for local damage (microcracks and microcavities) and oxidation phenomena in connection with the initiation and propagation of intergranular cracks. The support material of the study will be a directionally solidified nickel-based superalloy (e.g. DS200+Hf), widely used for low pressure turbine blades of aircraft engines. A first activity will focus on introducing a damage-coupled constitutive behaviour law for the grain boundary in order to reproduce different macroscopic damage kinetics as a function of the fatigue and/or creep loading direction [2].

[1] Pineau, A., & Antolovich, S. D. (2009). High temperature fatigue of nickel-base superalloys – A review with special emphasis on deformation modes and oxidation. Engineering Failure Analysis, 16(8), 2668 2697.
[2] Stinville, J. C., Mataveli Suave, L., Mauget, F., Marcin, L., Villechaise, P., Pollock, T. M., & Cormier, J. (2022). Damage nucleation during transverse creep of a directionally solidified Ni-based superalloy. Materials Science and Engineering : A, vol. 858, 144089.
[3] Nutte, M. (2019). Etude numérique et expérimentale d'un alliage à solidification dirigée oligogranulaire. Rapport de stage de mastère spécialisé DMS, Ecole des Mines de Paris / SafranTech.
[4] Li, P., Yvonnet, J., Combescure, C. (2020). An extension of the phase field method to model interactions between interfacial damage and brittle fracture in elastoplastic composites, International Journal of Mechanical Sciences, vol. 179, 105633.
[5] De Rancourt, V. (2015). Modelling the oxidation of polycristalline austenitic stainless steels using a phase field approach coupled with mechanics. Thèse de doctorat de l'Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris.

Contrat de recherche

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