Résumés - MINES ParisTech

Romain SOULIGNAC - Soutenance de thèse MINES ParisTech
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MINES ParisTech
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Soutenance de thèse de Romain SOULIGNAC
Prévision de la durée de vie à l'écaillage des barrières thermiques
Titre anglais : Life assessment by spallation of a thermal barrier coating system
Date de soutenance : jeudi 18 décembre 2014 à 14h00
Adresse de soutenance : Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris - Mines ParisTech 60, boulevard
Saint-Michel 75272 Paris cedex 06 - L109
Directeur de thèse : Luc REMY
devant le jury composé de :
Rafael ESTEVEZ
Professeur
Université Joseph Fourier de
Grenoble
Rapporteur
Philippe LOURS
Professeur
Ecole Nationale Supérieure des
Mines d'Albi
Rapporteur
Jean-Louis CHABOCHE
Directeur de
recherche
Office National d'Etudes et de
Recherches Aérospatiales
Examinateur
Luc REMY
Directeur de
recherche
Centre des Matériaux, MINES
ParisTech
Examinateur
Vincent MAUREL
Maître de
recherche
Centre des Matériaux, MINES
ParisTech
Examinateur
Alain KOSTER
Docteur
Centre des Matériaux, MINES
ParisTech
Examinateur
Arnaud LONGUET
Docteur
Safran, Snecma Villaroche
Examinateur
Mots clés en français :
Mots clés en anglais :
Résumé de la thèse en français
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.
Résumé de la thèse en anglais
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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16/12/2014 16:25