Durée de vie des barrières thermique

par Lara Mahfouz

Projet de thèse en Mécanique

Sous la direction de Vincent Maurel, Vincent Guipont et de Basile Marchand.

Thèses en préparation à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique (Paris) , en partenariat avec ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne) (laboratoire) , MAT-Fabrication Additive des materiaux hors d'équilibre et des structure - FAMHES (equipe de recherche) et de École nationale supérieure des mines (Paris) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-05-2019 .


  • Résumé

    Les pièces chaudes de la turbine HP, aubes et distributeurs, sont dans des conditions d'utilisation (environnement, sollicitations mécaniques et thermiques, ...) où le substrat seul, un superalliage monocristallin à base nickel, est en limite d'emploi. Pour augmenter son domaine d'application, les pièces sont protégées par un système barrière thermique. À long terme, il s'agira d'introduire la résistance de la barrière thermique explicitement dans les calculs du bureau d'étude sur les structures chaudes des turbines aéronautiques. En effet ce revêtement permet : (i) une protection contre la corrosion, l'oxydation et les autres agressions de l'environnement extérieur notamment l'érosion par les gaz et les particules abrasives et (ii) un abattement conséquent de la température en surface du substrat grâce à la faible conductivité thermique de la céramique (top coat) et l'optimisation des canaux de refroidissement internes. Toutefois, l'ajout de ce système de protection nécessite de comprendre ses modes de ruine en fonctionnement et les répercussions sur la durée de vie finale de la pièce. Dès lors que celui-ci n'assurera plus son rôle protecteur (écaillage total ou partiel), la durée de vie résiduelle du substrat est très faible car celui-ci est alors hors de son domaine d'utilisation. Pour cette thèse le système barrière thermique étudié est constitué d'une couche de zircone yttriée partiellement stabilisée (également appelée céramique YPSZ ou top coat) déposée par electron beam physical vapor deposition (EB-PVD); d'une couche d'oxyde (alumine α) entre la céramique et la sous-couche ; d'une sous-couche d'adhésion (également appelée sous-couche ou bond coat) (Ni,Pt)-Al déposée sur le substrat (AM1 dans cette étude). L'objectif principal de l'étude est de proposer une modélisation robuste de la durée de vie à l'écaillage d'une barrière thermique pour des conditions de sollicitations thermomécaniques et en présence de gradients thermiques. La démarche proposée s'appuie sur : l'analyse de la propagation d'un endommagement d'interface se basant sur la mesure du délaminage à partir d'un défaut introduit par choc laser (technique LASAT) ; l'application de cette technique à des cas de sollicitations relevant de la fatigue thermomécanique aussi proche que possible des conditions sur pièce, en tenant compte des effets de gradients thermiques et mécaniques ; la modélisation de la décohésion progressive tenant compte de l'ensemble des paramètres de gradient et l'influence du vieillissement ; une analyse de sensibilité du/des modèles d'endommagement proposés, et une recherche de la robustesse des méthodes d'identification des comportements nécessaires au modèle.

  • Titre traduit

    Thermal barrier coating lifetime prediction


  • Résumé

    The hot section components of gas turbines, are subjected to severe operating environments (high temperature, harsh environmental conditions, thermal cycling, and high stress levels for an extended number of aircraft takeoffs and landings...). Despite continuing progress in superalloy technology, the prospect of future increments in temperature is quite limited by the resistance of the metallic components alone. Thermal Barrier Coatings (TBCs) made of low thermal conductivity ceramics have seen increasing application in gas turbine engines to provide thermal insulation to metallic components from hot gas in the engines and thus high temperature performance. TBCs allow: (i) protection against corrosion, oxidation and other attacks by the external environment, in particular erosion caused by gases and abrasive particles and (ii) a consequent decrease of the metal temperature due to the low thermal conductivity of the top coat and the optimization of the internal cooling channels. However, the addition of this protection system requires understanding of its degradation and failure modes and the resulting impact on the components' lifetime. The spallation (total or partial) of the top coat will result in thermal protection loss, and the residual lifetime of the metallic substrate exposed to the hot gases of the turbine engine limiting drastically the life of the component. For this study, the thermal barrier system studied consists of a four-layered structure: The ceramic thermal barrier layer, a partially stabilized ytriated zirconia layer (also called YPSZ ceramic or top coat) deposited by electron beam physical vapor deposition (EB-PVD); an oxide (TGO) layer (α-alumina) between the top coat and the bond coat; an adhesion sub-layer (also called sublayer or bond coat) (Ni, Pt) -Al deposited on the substrate (AM1 in this study). The main objective of the study is to propose a robust modeling of thermal barrier coating's lifetime to spallation for thermomechanical stress conditions and in the presence of thermal gradients. The proposed approach is based on: the analysis of an interface damage propagation based on the measurement of the evolution of the delamination of an interface defect introduced by laser shock (LASAT technique); the application of this technique to thermomechanical fatigue stress conditions as close as possible to service conditions, taking into account the effects of thermal and mechanical gradients; the modeling of the progressive debonding taking into account the thermal and mechanical gradients and the influence of aging; a sensitivity analysis of the proposed damage model(s), and an assessment of the robustness of the methods needed for identifying behaviors required by the model.