Prévision de la durée de vie à l’écaillage des barrières thermiques

par Romain Soulignac

Thèse de doctorat en Sciences et génie des matériaux

Sous la direction de Luc Rémy.

Soutenue le 18-12-2014

à Paris, ENMP , dans le cadre de École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne) (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-Louis Chaboche.

Le jury était composé de Luc Rémy, Vincent Maurel, Alain Koster, Arnaud Longuet.

Les rapporteurs étaient Rafael Estevez, Philippe Lours.


  • Résumé

    Cette étude porte sur la modélisation de la durée de vie à l'écaillage des barrières thermiques pour aubes de turbines aéronautiques. La caractérisation expérimentale de l'adhérence du revêtement combine l'identification de la durée de vie - qualifiée par l'écaillage macroscopique de la céramique - à une caractérisation de l'endommagement à l'échelle de la microstructure du revêtement et en particulier à la dégradation des interfaces céramique / oxyde / métal. Des essais de compression uniaxiale sur des éprouvettes en AM1 revêtues NiAlPt et YSZ par EB-PVD, vieillies en fatigue thermique et mécano-thermique permettent d'estimer l'adhérence du revêtement. Ces essais sont complétés par des essais de propagation du délaminage interfacial par compression. Un essai original de compression in situ en laminographie aux rayons X a également permis d'analyser l'écaillage et la propagation du front de délaminage. Tous ces essais sont instrumentés et équipés de moyens d'observation permettant de réaliser des mesures de surfaces délaminées ou écaillées et de déterminer leur évolution en fonction des déformations locales mesurées.Une analyse microstructurale complète l'étude afin de comprendre l'influence du vieillissement thermique ou mécano-thermique sur l'évolution de l'endommagement du système. Cette analyse porte sur les mécanismes d'oxydation, de diffusion, de changement de phase principalement dans l'oxyde et la sous-couche. Elle est complétée par l'étude de l'ondulation de surface au cours du cyclage thermique, phénomène de « rumpling », et de ses conséquences, notamment au niveau de l'endommagement global de l'interface et de son adhérence. Le lien entre endommagement de l'interface à l'échelle d'imperfections de rugosité (quelques microns) et de la propagation d'une fissure d'interface (quelques dizaines à quelques centaines de microns) est analysé numériquement par la méthode des zones cohésives.Ces deux études complémentaires ont permis d'établir un modèle phénoménologique de durée de vie à l'écaillage. Celui-ci se base sur une estimation de l'énergie contenue dans la couche de céramique comparée à la valeur théorique d'énergie critique à rupture obtenue par un modèle d'endommagement, fonction de l'oxydation et des paramètres de chargement mécano-thermique. Ce modèle est implémenté en post-processeur d'un calcul par éléments finis facilitant son utilisation industrielle.

  • Titre traduit

    Lifetime prediction to spallation of a thermal barrier coatings


  • Résumé

    This study aims to model lifetime of thermal barrier coating (TBC) used on aircraft turbine blades. Experimental characterization of the coating adherence combines the lifetime identification – described by macroscopic spallation of the ceramic – with damage estimation trough the analysis of the influence of the microstructure of the coating and evolutions of interfaces ceramic / oxide / metal.Adherence of the ceramic is assessed using uniaxial mechanical compressive tests on AM1 specimen coated with NiAlPt bond coat and EB-PVD yttria stabilized zirconia varying the thermal and thermo-mechanical fatigue ageing conditions. Those tests are completed with analysis of interfacial crack propagation. A pioneering in situ compressive test using X-ray laminography has also been developed to analyze spallation and further delamination. The use of in-situ surface imaging by CCD cameras has enabled measurement of delaminated or spalled areas as function of measured local strain.The influence of thermal or thermo mechanical ageing on damage evolution of TBCs is studied through a microstructural analysis. Oxidation, diffusion and phase transformation mechanisms in the alumina and the bond coat are main parts of this analysis. Moreover the oxide rumpling and its consequences have been detailed, particularly through the measurement of global interfacial damage and adherence evolution. The link between interfacial damage at the scale of local defects (few microns) and the propagation of an interfacial crack (from tens to hundreds of microns) is numerically analyzed with a cohesive zone model.Those two spatial length of analysis were used to build a phenomenological lifetime model to spallation. This model was based on the assessment of the elastic strain energy stored in the ceramic layer and it comparison to fracture energy. A damage model is used to model the fracture strain energy evolution as a function of oxidation and thermo mechanical loading. This model is implemented in post processor of a FEM analysis, making its industrial use easier.


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