La maîtrise de la propreté inclusionnaire des aciers Maraging 250 refondus au service de la tenue en fatigue pour application aéronautique

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1 La maîtrise de la propreté inclusionnaire des aciers Maraging 250 refondus au service de la tenue en fatigue pour application aéronautique Maxime Vincent - Laurent Ferrer Snecma Gennevilliers et Villaroche (France) Direction Safran des Matériaux et Procédés 10 mars 2016

2 SAFRAN EN BREF *Au 31 décembre 2014 Un groupe international de haute technologie 15,4 milliards d euros de chiffre d affaires* salariés dans près de 60 pays 3 domaines d activité : Aéronautique & Espace Défense Sécurité Sociétés du groupe : Aircelle / Herakles (JV Airbus Safran launchers) / Hispano-Suiza / Labinal Power Systems / Messier Bugatti Dowty / Morpho / Safran Consulting / Sagem / Snecma / Techspace Aero / Turboméca. 1 / 1

3 SNECMA: GRANDE PLAGE DE POUSSEE PROPULSION SPATIALE (1) PowerJet (50/50 Snecma-NPO Saturn) (2) CFM International (50/50 Snecma-GE) (3) EPI (ITP, MTU, Rolls-Royce, Snecma) (4) In cooperation with GE Satellites PPS mn Ariane 5 HM7B 64.8 kn Ariane 5 Vinci 180kN Ariane 5 Vulcain kn (main stage) PROPULSION MILITAIRE Alpha Jet Larzac 14kN Mirage F1 Atar 49kN Rafale M88 75kN Mirage 2000 M53 95kN A400M TP400 (3) shp PROPULSION CIVILE Citation Longitude Silvercrest 1C 9,500 to 12,000 lb Falcon 5X Silvercrest 1D 9,500 to 12,000 lb SSJ100 SaM146 (1) 15,400 to 17,800 lb 737 CFM56-7B (2) 19,500 to 27,300 lb A320 CFM56-5B (2) 21,600 to 33,000 lb A320neo LEAP-1A (2) 21,500 to 33,000 lb 737 MAX LEAP-1B (2) 21,500 to 28,000 lb C919 LEAP-1C (2) 21,500 to 30,000 lb A340 CFM56-5C (2) 31,200 to 34,000 lb 747 CF6 (4) 52,500 to 72,000 lb A380 GP7200 (4) 70,000 to 85,100 lb 777 GE90 (4) 93,700 to 115,300 lb 2 /

4 MARAGING PRESENTATION Composition (éléments principaux) Fe C Ni Co Mo Ti Al Cr Maraging250 Min ,6 0,3 0,05 - Base Max 0, ,5 5,2 0,5 0,15 0,25 Elaboration: VIM (Vaccum Induction Melting) VAR (Vaccum Arc Remelting) Forgeage du lingot en billette Alliage à durcissement par précipitation - Propriétés mécaniques obtenues: Par une structure martensitique revenue, Par la precipitation d intermétalliques (Ni, Mo, Ti) 3 /

5 MARAGING APPLICATIONS Alliage utilisé pour les arbres des turboréacteurs (exemple turbine CFM56) Arbre de TuBP en Maraging 250 Moteur CFM56-5C Cet alliage présente différentes natures d inclusions en lien avec sa composition et son procédé d élaboration => facteur limitant pour la durée de vie des pièces L optimisation des courbes de dimensionnement en fatigue oligocyclique (LCF) est étroitement liée à la maitrise de la propreté inclusionnaire 4 /

6 LCF COURBE DE WOHLER / AMORÇAGE / PROPAGATION Fatigue oligocyclique (LCF): essai de fatigue en appliquant une contrainte ou déformation élastique cyclique au delà de la limite d endurance. Le nombre de cycle à rupture pour différents niveaux de déformation conduit à la définition d une courbe de Wohler Ϭ Pas de rupture Rupture Limite d endurance Nr Nombre de cycles à rupture Nr fonction de : L énergie pour former une micro-fissure capable de se propager. Site d amorçage L énergie pour propager la fissure. Propagation 5 /

7 THÉORIE AMORÇAGE EN LCF* Amorçage sur plan de clivage: Permet une durée de vie maximale Glissement alterné sur plans denses cristallographiques => microfissures Amorçage sur inclusion: Energie d amorçage plus faible que pour le clivage: effets interface et propriétés différentes matrice vs inclusion conduisant à des concentrations de contraintes plus élevées => microfissures * To fix process parameters of billets or bars in order to optimise a new design of aircraft engine in wrought and ESR remelted stainless steel / L. Ferrer & JY. Guedou / LMPC 2015 Leoben 6 /

8 LCF ANALYSE FRACTOGRAPHIQUE Essai LCF autour de 1 Hz avec un rapport de déformation Cmin/Cmax = 0 Propagation Essai jusqu à rupture Initiation site Analyse du faciès de rupture pour déterminer la nature, taille et morphologie du site d amorçage. 7 /

9 LCF AMORÇAGE SUR CLIVAGE Effet d un amorçage sur plan de clivage 8 /

10 LCF AMORÇAGE SUR INCLUSION Effet d un amorçage sur oxyde ou TiN 9 /

11 LCF TAILLE INCLUSION EN AMORÇAGE Effet de la taille de l inclusion à l origine de l amorçage 10 /

12 MARAGING 250 MESURE PROPRETÉ INCLUSIONNAIRE Effet de la distribution des tailles d inclusions sur la fatigue oligocyclique Résultats obtenus sur coupe micro via analyse d image et EDX: DL DL M oyenne DL DL DL DL M oyenne µm 5-6 µm 6-7 µm 7-8 µm 8-9 µm 9-10 µm µm µm µm µm µm µm > 20µm µm 5-6 µm 6-7 µm 7-8 µm 8-9 µm 9-10 µm µm µm µm µm µm µm > 20µm Distribution normale d inclusions Distribution dispersées d inclusions Fatigue OK Fatigue KO 11 /

13 MARAGING 250 MESURE PROPRETÉ INCLUSIONNAIRE Insuffisance des mesures ASTM E45 pour mesurer les inclusions les plus nocives en fatigue oligocyclique Comptage inclusionnaire réalisé au microscope optique sur coupe micro ne faisant pas apparaitre la totalité des alignements Alignement d inclusions Plan coupe micrographique Développement en cours : Brevets Snecma Brevet FR du 30/04/2010 / B. Peltier, M.N. Hinard, Marie Cuoco, W. Beya / Comptage d inclusions sur alliages par analyse d image et EDX Brevet FR du 28/09/2012 / M.N. Hinard, L. Ferrer / Méthode pour mesurer des alignements sur alliages par analyse d image et EDX Brevet FR du 21/02/2013 / M.N. Hinard, L. Ferrer / Méthode d évaluation de la durée de vie en fatigue en partant de la distribution d inclusions mesurée par analyse d image et EDX Logiciel METIS (Moyen commercialisé pou interpréter les résultats d analyse d image et EDX) Projet élaboration au sein de l IRT M2P (présentation à suivre) Etc 12 /