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La maîtrise de la propreté inclusionnaire des aciers Maraging250 refondus au service de la tenue en fatigue pour application aéronautique

Maxime Vincent - Laurent FerrerSnecma Gennevilliers et Villaroche (France)Direction Safran des Matériaux et Procédés10 mars 2016

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La maîtrise de la propreté inclusionnaire des aciers Maraging 250 refondus au service de la tenue en fatigue pour application aéronautique - 10/03/2016

*Au 31 décembre 2014

SAFRAN EN BREF

� Un groupe international de haute technologie

� 15,4 milliards d’euros de chiffre d’affaires*

� 69 000 salariés dans près de 60 pays

� 3 domaines d’activité :

1

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.

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(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

SNECMA: GRANDE PLAGE DE POUSSEE

Satellites

PPS ® 1350

90 mN

Ariane 5

Vulcain ® 2

1340 kN (main stage)

Alpha Jet

Larzac ®

14kN

Rafale

M88

75kN

Mirage 2000

M53

95kN

A400M

TP400(3)

11 000 shp

Citation Longitude

Silvercrest®1C

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

A320neo

LEAP-1A(2)

21,500 to

33,000 lb

A320

CFM56-5B(2)

21,600 to

33,000 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

Ariane 5

Vinci

180kN

737 MAX

LEAP-1B(2)

21,500 to

28,000 lb

C919

LEAP-1C(2)

21,500 to

30,000 lb

Ariane 5

HM7B

64.8 kN

Mirage F1

Atar

49kN

Falcon 5X

Silvercrest®1D

9,500 to

12,000 lb

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PROPULSION SPATIALE

PROPULSION MILITAIRE

PROPULSION CIVILE

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MARAGING 250 - PRESENTATION

� Composition (éléments principaux)

� Elaboration:� VIM (Vaccum Induction Melting)� VAR (Vaccum Arc Remelting)� Forgeage du lingot en billette

� Alliage à durcissement par précipitation - Propriété s mécaniques obtenues:� Par une structure martensitique revenue,� Par la precipitation d’intermétalliques (Ni, Mo, Ti) La maîtrise de la propreté inclusionnaire des aciers Maraging 250 refondus au service de la tenue en fatigue pour application aéronautique - 10/03/2016

Fe C Ni Co Mo Ti Al Cr

Maraging250Min

Base- 17 7 4,6 0,3 0,05 -

Max 0,015 19 8,5 5,2 0,5 0,15 0,25

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� Alliage utilisé pour les arbres des turboréacteurs (exemple turbine CFM56)

� Cet alliage présente différentes natures d’inclusio ns 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 fa tigue oligocyclique(LCF) est étroitement liée à la maitrise de la prop reté inclusionnaire

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MARAGING 250 - APPLICATIONS

Moteur CFM56-5C

Arbre de TuBP en Maraging 250

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LCFCOURBE DE WOHLER / AMORÇAGE / PROPAGATION

� Fatigue oligocyclique (LCF): essai de fatigue en app liquant une contrainte ou déformation élastique cyclique au delà de la lim ite d’endurance.

� Le nombre de cycle à rupture pour différents niveau x de déformation conduit à la définition d’une courbe de Wohler

� 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

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Limite d’endurance

RupturePas de rupture

Nr

Ϭ

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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

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LCFANALYSE FRACTOGRAPHIQUE� Essai LCF autour de 1 Hz avec un rapport de déformat ion Cmin/Cmax = 0

� Essai jusqu’à rupture

� Analyse du faciès de rupture pour déterminer la nat ure, taille et morphologie du site d’amorçage.

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Initiation site

Propagation

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LCFAMORÇAGE SUR CLIVAGE

� Effet d’un amorçage sur plan de clivage

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LCFAMORÇAGE SUR INCLUSION

� Effet d’un amorçage sur oxyde ou TiN

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LCFTAILLE INCLUSION EN AMORÇAGE

� Effet de la taille de l’inclusion à l’origine de l’amor çage

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MARAGING 250 MESURE PROPRETÉ INCLUSIONNAIRE

� Effet de la distribution des tailles d’inclusions s ur la fatigue oligocyclique

� Résultats obtenus sur coupe micro via analyse d’image e t EDX:

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0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

0-5 µm 5-6 µm 6-7 µm 7-8 µm 8-9 µm 9-10 µm 10-11 µm 11-12 µm 12-13 µm 13-14 µm 14-15 µm 15-20 µm > 20µm

DL336176

DL336010

M oyenne

0

10

20

30

40

50

60

70

0-5 µm 5-6 µm 6-7 µm 7-8 µm 8-9 µm 9-10 µm 10-11 µm 11-12 µm 12-13 µm 13-14 µm 14-15 µm 15-20 µm > 20µm

DL336012

DL336013

DL336011

DL336010

M oyenne

Distribution normale d’inclusions

Fatigue OK

Distribution dispersées d’inclusions

Fatigue KO

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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

� Développement en cours :� Brevets Snecma

� Brevet FR2937736 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 FR2973111 du 28/09/2012 / M.N. Hinard, L. Ferrer / Méthode pour mesurer des alignements suralliages par analyse d’image et EDX

� Brevet FR2978546 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…

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Alignement d’inclusions

Plan coupe micrographique