Complex Thermo-Mechanical Approaches to Study the Behavior of High-Temperature Alloys
Approches thermo-mécaniques complexes pour l’étude du comportement des alliages haute température
Abstract
The work discusses the complex thermo-mechanical approaches developed at ONERA within the context of gas turbine component fatigue tests. Emphasis is placed on the general experimental methods to test nickel-based single crystal superalloys used in gas turbine blades under severe thermal and mechanical conditions. First, the successive steps required in combined thermal and mechanical fatigue testing are briefly discussed. Particular focus is placed on the techniques developed to reliably control and measure temperature fields generated by induction heating. The main experimental techniques used for thermo-mechanical testing are then discussed.
Here, an axial-torsional thermo-mechanical fatigue (TMF) testing rig used to study the coupling effects of combined thermal and mechanical loads is described. How a thermal gradient is introduced in the TMF specimens to reproduce the internal air cooling technology of modern gas turbine blades is shown. In order to increase the representativeness of in-service conditions, the problem of thermo-mechanical fatigue coupled with thermal gradients is investigated using smooth, multi-perforated, and thermal barrier coated samples. It is shown that such testing capabilities can reproduce realistic thermomechanical loading conditions typical of service and constitute a powerful
means to develop and validate fatigue life prediction methods. Furthermore, the effect of an overheating event that can occur during a one-engine-inoperative event during in-service operation is also investigated. This type of engine malfunction is known to lead to a degradation of the microstructure, which can modify the material constitutive behavior and affect the remaining lifetime. Finally, the additional complexities associated with the creep-fatigue interaction, the required constitutive models and the computational challenges are discussed.
Cet article traite des approches thermo-mécaniques complexes développées à l'ONERA dans le cadre des essais de fatigue pour composants de turbines à gaz. L'accent est mis sur les méthodologies expérimentales pour tester les superalliages monocristallins à base Nickel utilisés dans les aubes de turbine à gaz fonctionnant dans des conditions thermiques et mécaniques sévères. Un bref historique rappelle les étapes successives qui ont mené aux développements des essais de fatigue sous chargements thermique et mécanique combinés. Un accent particulier est mis sur les techniques développées pour contrôler de manière fiable et mesurer les champs de température générés par le chauffage par induction. Ensuite une installation de fatigue thermo-mécanique (TMF) de traction-torsion est présentée ainsi que la méthodologie expérimentale associée. Il est montré comment un gradient thermique peut alors être introduit dans les éprouvettes tubulaires pour reproduire la technologie de refroidissement d'air interne des aubes de turbines à gaz modernes. A cet effet, pour augmenter la représentativité des conditions en service, le problème de la fatigue thermo-mécanique couplé avec des gradients thermiques est étudié en utilisant des éprouvettes lisses, multi-perforées et enfin revêtues d'une barrière thermique. Il est montré que ces dispositifs expérimentaux peuvent reproduire les conditions de chargement thermomécaniques réalistes typiques des pièces en service et constituer un moyen puissant pour développer et valider les méthodologies de prévision de durée de vie. Pour finir, l'effet d'une surchauffe qui peut se produire lors d'un régime d’urgence est également abordé. Ce type de dysfonctionnement du moteur est connu pour conduire à une dégradation de la microstructure altérant le comportement du matériau constitutif et sa durée de vie résiduelle. Les complexités supplémentaires liées à l'interaction de fluage-fatigue, les modèles de comportement nécessaires et les défis de calcul sont discutées.constitutive models and the computational challenges are discussed.
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