Offre de Thèse : Impact du laminage circulaire sur la microstructure des disques de turbines de nouvelle génération.

Le laboratoire commun OPALE a été créé en 2019 entre Safran, le CNRS et MINES ParisTech. Il associe l’expertise de deux centres de recherche (le CEMEF, centre de recherche de MINES ParisTech, situé à Sophia Antipolis, et l’Institut Pprime, UPR du CNRS, situé à Poitiers). Le laboratoire commun OPALE a pour vocation d’accompagner le groupe Safran dans le développement des gammes de fabrication et l’optimisation du comportement en service de pièces de turbo-moteurs en superalliages base nickel. Motivé par des objectifs écologiques de plus en plus ambitieux, le programme de travail se concentre principalement sur les disques de turbines, dont la tenue limite la température de fonctionnement et donc le rendement des moteurs.
Dans le cadre du laboratoire commun OPALE, plusieurs thèses sur des sujets complémentaires et connexes se déroulent en parallèle et font l’objet de réunions de suivi communes auxquelles participent activement les ingénieurs du groupe Safran. Le laboratoire commun OPALE offre ainsi un environnement de travail particulièrement riche et stimulant.

La fabrication des disques de turbine en superalliages passe par différentes opérations de déformation à chaud et de traitement thermique au cours desquelles la microstructure évolue. Ces évolutions conditionnent la microstructure finale du matériau, donc la capacité du matériau à soutenir les conditions de température et de contrainte sévères vues en service, et la durée de vie de la pièce. Cette thèse porte spécifiquement sur les évolutions de microstructure associées au procédé de laminage circulaire par lequel le diamètre et la section de l’anneau préfigurant le disque sont ajustées. Dans ce procédé, la matière est déformée de manière incrémentale lors du passage entre des outils diamétralement opposés, l’un contrôlant la hauteur et l’autre le diamètre. Ce procédé est mis en œuvre à chaud, de sorte que la microstructure est susceptible d’évoluer également entre ces déformations unitaires. Le matériau d’étude est un superalliage de type 𝛾-𝛾’ employé dans les moteurs de nouvelle génération.
Une approche combinant expériences de laboratoire et analyse d’échantillons industriels sera mise en œuvre. Les conditions du procédé industriel seront reproduites au moyen d’essais thermomécaniques de laboratoire pour produire des échantillons dont la microstructure sera analysée afin de déterminer les mécanismes actifs et leur dépendance aux conditions thermomécaniques. Ces essais de laboratoire devront être adaptés pour reproduire le caractère incrémental du procédé, ce qui constituera une originalité de ce travail de thèse.
Les principales techniques de caractérisation microstructurale qui seront mises en œuvre sont la microscopie électronique à balayage et l’analyse de orientations cristallines par EBSD (diffraction des électrons rétrodiffusés), avec, selon les besoins, la possibilité d’effectuer des analyses tridimensionnelles ou des analyses à plus fine échelle par microscopie électronique en transmission. Les évolutions de microstructure, à chaque pas de déformation et entre déformations successives, seront analysées en détail et comparées à celles survenant au cours d’une même quantité de déformation totale qui serait appliquée en une seule étape.
Enfin, les modèles métallurgiques développés par ailleurs dans le cadre du laboratoire commun OPALE pour les procédés conventionnels seront confrontés aux résultats expérimentaux issus de chemins thermomécaniques à déformation incrémentale multi-passes.
Ce travail sera mené en interaction étroite avec l'ensemble des acteurs du projet, académiques et industriels.