Adhérence de barrières thermiques pour aube de turbine avec couche de liaison bêta- (Ni, Pt)Al ou bêta-NIAL (Zr)

Adhesion of thermal barrier for turbine blades including a beta-(Ni, Pt)Al or a beta-NiAl (Zr) bond coat

• Auteur / Autrice : Pierre-Yvan Thery
• Direction : Michel Dupeux, Muriel Braccini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux et génie des procédés
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Grenoble 1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Longévité

Alumine

Oxydation

Échauffement aérodynamique

Mots clés libres

Aluminure de nickel

Essai d'adhérence

Résumé

Les systèmes barrière thermique sont utilisés pour protéger les aubes des turbines aéronautiques. Ces systèmes multicouches sont composés d'une couche céramique isolante déposée à la surface du superalliage constitutif de l'aube préalablement recouvert d'une couche de liaison qui assure la protection contre l'oxydation. La ruine de ces systèmes qui survient par écaillage de la couche céramique repose sur des mécanismes complexes qui ne sont pas encore complètement connus ni maîtrisés. Cette étude a permis d'améliorer la compréhension de ces mécanismes de dégradation qui affectent l'adhérence des systèmes barrière thermique en service. A cette fin, une approche originale a été développée avec la conception et la mise en œuvre d'un essai permettant d'évaluer quantitativement l'adhérence de systèmes barrière thermique et de suivre son évolution en oxydation cyclique à 11 OO°C. La perte d'adhérence mesurée pour les deux systèmes étudiés, AM1/(Ni,Pt)AI/YPSZ et AM1/NiAI(Zr)/YPSZ, est équivalente. Néanmoins, les dégradations microstructurales critiques identifiées pour les deux systèmes sont différentes: formation de cavités et augmentation significative de la rugosité interfaciale pour AM1/(Ni,Pt)AI/YPSZ; décohésions liées au développement de contraintes élevées hors du plan de l'interface pour AM1/NiAI(Zr)/YPSZ. Finalement, une approche énergétique de l'écaillage des systèmes barrière thermique est proposée. De cette approche découle la définition d'un critère d'écaillage qui donne une estimation de leur durée de vie. La validité de ce critère est discutée dans le cas des deux systèmes étudiés.

Thermal barrier coating systems are used to protect aeronautical turbine blades. These multilayered systems are constituted of an insulating ceramic top coat deposited on Ni-based superalloy turbine blade with an intermediate oxidation resistant bond coat. The degradation of these systems results from complex phenomena which eventually lead to the ceramic layer spallation. However, the underlying mechanisms are still not weil understood. This study provides a better understanding of the mechanisms leading to the adhesion loss of thermal barrier coating systems in service. An original approach is proposed based on the quantitative monitoring of the practical adhesion evolution of thermal barrier coating during cyclic oxidation at 1100°C by means of a mechanical test adapted to this kind of system. For both systems studied here, AM1/(Ni,Pt)AI/YPSZ and AM1/NiAI(Zr)/YPSZ, the recorded adhesion loss is equivalent. Nevertheless, the critical microstructural degradations are found to be different : formation of interfacial voids and extensive bond coat rumpling in the case of AM1/(Ni,Pt)AI/YPSZ ; decohesions linked with the development of high out-of-plane tensile stress in the case of AM1/NiAI(Zr)/YPSZ. Finally, an energetic approach of thermal barrier coating spallation is proposed. This model enables the definition of a spallation criterion which provides a reasonable prediction of the thermal barrier coating lifetime. The reliability of this criterion is discussed in both studied cases.