Modélisation de la durée de vie des barrières thermiques, par le développement et l'exploitation d'essais d'adhérence

Lifetime prediction of thermal barrier coatings by an energetic approach

• Auteur / Autrice : Jean-Roch Vaunois
• Direction : Yves Bréchet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 20/06/2013
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et de recherches aérospatiales (France)
• Jury : Président / Présidente : Eric Martin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascale Kanouté, Martine Poulain, Arnaud Longuet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thomas Pardoen, Eric Andrieu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composites

Mots clés libres

Matériaux multi-couches

Superalliage

Couches minces

Durée de vie

Adhérence

Multi-layer materials

Superalloys

Thin films

Lifetime

Adhesion

Résumé

Cette étude porte sur la construction d’un modèle de prévision de la durée de vie à écaillage des barrièresthermiques protégeant les aubes de turbines aéronautiques, par le développement et l’exploitation d’essaisd’adhérence. La chaîne de modélisation de la durée de vie proposée comporte trois étapes. Tout d’abord, leschamps mécaniques dans les différentes couches du système sont évalués par un modèle semi-analytique decomportement de la structure multicouche, qui a été modifié pour favoriser son adaptabilité industrielle. Àpartir de l’histoire thermo-mécanique du substrat comme donnée d’entrée, qui peut être extraite d’un calculd’aube par EF, ce modèle prévoit la déformation de l’interface entre la pièce métallique et sa protectioncéramique lorsqu’un champ de contraintes lié à l’oxydation du métal lui est appliqué. Des mesures de rumpling,provoqué par le vieillissement du système à différentes températures, ont permis d’identifier et de valider lemodèle.Dans un deuxième temps, l’énergie d’adhérence est estimée au travers d’un modèle d’endommagements’appuyant sur la réponse mécanique du modèle de comportement précédent. L’endommagement, écrit àl’échelle de l’interface et découplé du comportement mécanique, a été identifié sur l’énergie d’adhérencequantifiée expérimentalement. Afin de caractériser au mieux l’énergie d’adhérence de la barrière thermiquesur son substrat, plusieurs essais ont été mis en oeuvre, permettant de solliciter l’interface dans une largegamme de mixité modale. Pour ce faire, des essais spécifiques ont été développés pour se rapprocher d’unepropagation de la fissure interfaciale en mode de cisaillement. Finalement, un critère énergétique permet dedéterminer la durée de vie du système, par comparaison de l’énergie d’adhérence et de l’énergie disponibledans le système pour la propagation d’une fissure interfaciale. Cette chaîne de prévision de la durée de vie estapplicable en post-traitement d’un calcul d’aube. Il a été montré que les tendances expérimentales sontcorrectement reproduites par la chaîne de durée de vie mise en place.

The aim of this study is to build a lifetime assessment model for thermal barrier coatings protecting aircraftturbine blades, by setting up and using adhesion tests. The model involves three steps: first, the mechanicalfields inside the layers are computed by a semi-analytical model of the multi-layered system behaviour, whichwas improved to fit the industrial demands. Given the thermo-mechanical history of the substrate (which canbe derived from FE computations), the model computes the interface strains between the metallic substrateand the ceramic protection under a stress field induced by oxidation. The model has been identified andvalidated with respect to rumpling measurements for different ageing temperatures of the system.During a second step, the interface toughness is estimated through a damage model depending on themechanical response of the multi-layered system. The damage parameters have been identified on toughnessmeasurements, and are not coupled to the multi-layer behaviour. In order to characterize the TBC toughness,several shear mode interface crack propagation tests have been developed and carried out.Finally, an energetic approach allows computing the system lifetime by comparing the decreasing interfacetoughness to the elastic stored energy. This lifetime assessment model can be applied as a post-processing of afinite element computation on a turbine blade and it has been shown that the experimental trends areconsistent with the lifetime given by the model.