Tenue à l’endommagement par fatigue et fluage des disques de turbomachines en superalliages

Resistance of gas turbine engine disks in superalloys to creep and fatigue damage.

S N E C M A

Résumé

Le caractère vital des disques de turbomachines conduit les motoristes à dimensionner ces disques en prenant en compte les différents modes d’endommagement identifiés par les métallurgistes, de façon à pouvoir augmenter sans risque supplémentaire les niveaux des contraintes admissibles.

Actuellement deux voies d’élaboration parallèles s’offrent aux motoristes: le forgeage à basse température permettant l’obtention de structures à grains fins à partir de matériaux élaborés et refondus sous vide et la métallurgie des poudres préalliées qui permet de mettre en œuvre des compositions à plus haute limite élastique et des structures homogènes.

Le problème de la tolérance au dommage des disques de compresseur haute pression et de turbine, réalisés en superalliages à base de nickel, sera illustré en considérant plus particulièrement le cas de l'Inconel 718 coulé et forgé d’une part, et de l’Astroloy obtenu par la métallurgie des poudres d’autre part. On montrera l’importance de la prise en compte, sous les sollicitations de fatigue et de fluage, non seulement de la tenue à l’amorçage des fissures mais aussi de la résistance à leur propagation. L’influence des micro-défauts susceptibles de se comporter comme des amorces des fissures sera discutée, ainsi que leurs possibilités de contrôle non destructif. On présentera par ailleurs les problèmes posés par la sensibilité à l’environnement de la vitesse de propagation des fissures.

Abstract

The vital character of turbomachines disks makes the motorists take into account for the conception of those parts, various types of damage identified by the metallurgist, in order to be able to increase the allowable stress levels without additional risks.

At the present time, two parallel ways of elaboration are given to the motorists: low temperature-forging allowing the obtention of fine grains structures with vacuum elaborated and remelted materials, and prealloyed Powder Metallurgy which enables the working out of compositions with higher yield stress and homogeneous structures.

The problem of high pressure compressors and turbines nickel base superalloys disks damage tolerance will be illustrated by using more particularly the example of Inconel 718 cast and forged on one hand, and of Powder Metallurgy Astroloy on the other hand. The importance of taking into account, under fatigue and creep sollicitations, not only the resistance to crack initiation, but also to crack propagation will be shown. The influence of micro-defects being able to behave as short cracks will be discussed, and also the possibility of their non-destructive control. Besides, the problems raised by the sensitiveness to the environment of crack propagation rates will be presented.