Etude des mécanismes d'endommagement d'un système barrière thermique déposé sur un superalliage base nickel

par Catherine Guerre

Thèse de doctorat en Science et génie des matériaux

Sous la direction de Régine Molins et de Luc Rémy.

Soutenue en 2002

à Paris, ENMP .

mots clés

• Matériaux -- Fatigue
• Thermochimie
• Alliages réfractaires
• Avions -- Turboréacteurs
• Analyse thermique

Résumé

Les systèmes barrières thermiques constitués d'un revêtement céramique et d'une sous-couche d'accrochage déposés sur un superalliage sont développés pour les aubes mobiles de turbine haute pression des turboréacteurs. La durée de vie de l'aube estcorrélée à l’écaillage de la barrière thermique. Cette thèse a permis d’améliorer la compréhension des mécanismes à l’origine de l’endommagement du système barrière thermique sous des sollicitations complexes, proches des sollicitations des aubes en conditions réelles. Dans ce but, des essais d'oxydation isotherme, d'oxydation anisotherme et de fatigue anisotherme ont été réalisés. Les essais ont été interrompus avant la durée de vie afin d’étudier les mécanismes, les cinétiques d’endommagement et de déterminer la résistance résiduelle à l’écaillage. Les différents mécanismes d’endommagement et leurs conséquences sur la résistance à l’écaillage ont été discutés en fonction de la nature des sollicitations thermiques et / ou mécaniques imposées et en fonction du taux de soufre dans le superalliage.

Titre traduit

Study of damage mechanisms of a thermal barrier coating system deposited on a nickel base superalloy

Résumé

Thermal barrier coatings (TBC) deposited on nickel superalloy are developed for high-pressure turbine of turbofan. TBC is a duplex coating composed of a ceramic top-coat designed for thermal insulation and an intermetallic compound which accommodate the difference of the thermal expansion coefficient between the superalloy and the the ceramic top-coat. The oxidation of the intermetallic compound lead to the formation of a protective alumina scale which prevent oxidation of the superalloy. This study enabled to improve the understanding of the damage mechanism of TBC systems for complex loadings close to in-service loadings. For this purpose, isothermal and cyclic oxidation tests but also thermomechanical fatigue were performed. Tests were stopped before spalling of the TBC in order to study damage mechanisms and, for some of them, kinetics of damage. Some of these tests were followed by compression tests in order to measure the residual spalling resistance, which is responsible of the life duration of the turbines. Thanks to the use of observations from the macroscopic scale to the transmission electron microscope scale, damage mechanisms as well as their consequences on the residual spalling resistance were discussed according to the loadings conditions (isothermal or cyclic with or without mechanical loadings) and according to the sulphur level in the superalloy