Comportement thermomécanique à haute vitesse de déformation de l'AD730 pour le soudage par friction linéaire

Pibre, Victor (2026). Comportement thermomécanique à haute vitesse de déformation de l'AD730 pour le soudage par friction linéaire. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

Prévisualisation

PDF Télécharger (7MB) | Prévisualisation

Résumé

Les superalliages base nickel AD730™ et Inconel 718 (IN718) sont des matériaux stratégiques pour l'industrie aéronautique, utilisés notamment dans les disques de turbine en raison de leurs propriétés mécaniques exceptionnelles à haute température. Le soudage par friction linéaire (Linear Friction Welding, LFW) est un procédé d'assemblage à l'état solide particulièrement adapté à ces alliages, permettant d'éviter les défauts métallurgiques inhérents aux procédés de soudage par fusion. La simulation numérique fiable de ce procédé requiert des lois de comportement thermomécanique valides dans des conditions de déformation sévères, caractérisées par des vitesses de déformation pouvant atteindre plusieurs dizaines de secondes inverses. Or, les données disponibles dans la littérature pour ces alliages se limitent à des régimes de vitesse modérés, inférieurs ou égaux à 1 s⁻¹, laissant un verrou scientifique majeur pour la modélisation du LFW.

Ce mémoire présente une étude expérimentale du comportement thermomécanique de l'AD730 et de l'IN718 à hautes vitesses de déformation, réalisée par essais de compression à chaud sur un simulateur thermomécanique DSI GLEEBLE 3800-GTC. Les essais ont été conduits à 1120 °C pour des vitesses de déformation comprises entre 1 et 10 s⁻¹ et une déformation finale de 0,6, conditions représentatives des zones fortement déformées lors du LFW. Les microstructures résultantes ont été caractérisées par microscopie optique et électronique à balayage.

Les résultats montrent que l'AD730 et l'IN718 présentent une sensibilité positive à la vitesse de déformation sur l'ensemble de la plage étudiée, avec toutefois une saturation marquée de la contrainte d'écoulement au-delà de 8 s⁻¹, traduisant la compétition entre écrouissage et échauffement adiabatique à très haute vitesse. Le phénomène de Yield Drop, dont l'origine était jusqu'alors débattue, est formellement établi comme étant d'origine physique intrinsèque au matériau, indépendamment des conditions expérimentales, par la convergence de deux arguments : la reproduction du phénomène sur deux machines de technologies différentes et la constance de ses caractéristiques géométriques sur l'ensemble de la plage de vitesses. Les observations microstructurales confirment la recristallisation dynamique discontinue comme mécanisme d'adoucissement dominant, avec un affinement progressif de la taille de grain avec l'augmentation de la vitesse de déformation, bien décrit par un modèle de Zener-Hollomon validé de 0,001 à 10 s⁻¹. Enfin, le modèle constitutif d'Arrhenius identifié par les travaux antérieurs conserve une précision satisfaisante sur la plage de 2,5 à 8 s⁻¹, mais atteint ses limites intrinsèques au-delà de 8 s⁻¹ en raison de la saturation de la contrainte d'écoulement, nécessitant le recours à des formulations constitutives plus adaptées pour décrire ce régime de transition. Ces résultats constituent une extension significative des connaissances sur le comportement thermomécanique de l'AD730 à hautes vitesses de déformation et fournissent une base expérimentale solide pour le développement futur d'un modèle prédictif couplé mécanique-microstructural destiné à la simulation du soudage par friction linéaire.

Titre traduit

Thermomechanical behavior at high strain rates of AD730 for linear friction welding

Résumé traduit

Nickel-based superalloys AD730™ and Inconel 718 (IN718) are strategic materials for the aerospace industry, particularly used in turbine disks due to their exceptional mechanical properties at high temperatures. Linear Friction Welding (LFW) is a solid-state joining process especially well-suited to these alloys, as it avoids the metallurgical defects inherent to fusion welding techniques. Reliable numerical simulation of this process requires valid thermomechanical constitutive laws under severe deformation conditions, characterized by strain rates that can reach several tens of reciprocal seconds. However, the data available in the literature for these alloys are limited to moderate strain rate regimes, typically less than or equal to 1 s⁻¹, leaving a major scientific gap for LFW modelling.

This thesis presents an experimental study of the thermomechanical behaviour of AD730 and IN718 at high strain rates, carried out through hot compression tests using a DSI-GLEEBLE 3800-GTC thermomechanical simulator. The tests were conducted at 1120 °C for strain rates ranging from 1 to 10 s⁻¹ and a final strain of 0.6, conditions representative of the highly deformed zones encountered during LFW. The resulting microstructures were characterized using optical microscopy and scanning electron microscopy.

The results show that both AD730 and IN718 exhibit positive strain rate sensitivity over the entire investigated range, with a noticeable saturation of the flow stress beyond 8 s⁻¹, reflecting the competition between strain hardening and adiabatic heating at very high strain rates. The Yield Drop phenomenon, whose origin had previously been debated, is definitively established as being intrinsically physical to the material, independent of experimental conditions. This conclusion is supported by two converging arguments: the reproduction of the phenomenon on two machines with different technologies, and the consistency of its geometric characteristics across the entire strain rate range. Microstructural observations confirm discontinuous dynamic recrystallization as the dominant softening mechanism, with progressive grain refinement as strain rate increases, well described by a Zener Hollomon model validated from 0.001 to 10 s⁻¹. Finally, the Arrhenius-type constitutive model identified in previous work maintains satisfactory accuracy in the 2.5 to 8 s⁻¹ range but reaches its intrinsic limits beyond 8 s⁻¹ due to flow stress saturation, thus requiring more advanced constitutive formulations to accurately describe this transition regime.

These results significantly extend the current understanding of the thermomechanical behaviour of AD730 at high strain rates and provide a solid experimental foundation for the future development of a coupled mechanical–microstructural predictive model dedicated to the simulation of linear friction welding.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie aérospatial". Comprend des références bibliographiques (pages 133-136).
Mots-clés libres:	superalliages, compression à chaud, soudage par friction linéaire, lois de comportement, Yield Drop
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur(-trice) Jahazi, Mohammad
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	12 août 2026 19:32
Dernière modification:	12 août 2026 19:32
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/4058

Gestion Actions (Identification requise)

Dernière vérification avant le dépôt