Approche multi-échelle pour prédire la durée de vie des barrières thermiques déposées par EB-PVD

• Main Author: Frachon, Julien
• Language: ENG
• Published: École Nationale Supérieure des Mines de Paris 2009
• Subjects: [SPI:MAT] Engineering Sciences/Materials; revêtements thermiques; superalliage; effet de la température; oxydation; microfissures
• Online Access: http://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00869360; http://pastel.archives-ouvertes.fr/docs/00/86/93/60/PDF/Frachon.pdf

Le développement d'une nouvelle génération de revêtements thermiques réalisée par voie physique EB-PVD (electron beam-physical vapour deposition) permet d'augmenter la température en service tout en protégeant les aubes monocristallines. Ces systèmes barrières thermiques comprennent une couche isolante composée de zircone stabilisé à l'yttrium déposée sur une sous-couche intermédiaire (NiCoCrAlY) protégeant de l'oxydation le superalliage. A ces températures, l'oxygène oxyde la sous-couche formant ainsi une fine couche d'alumine à l'interface avec la zircone. Des microfissures et des porosités germent dans cette zone critique sous contrainte, diminuant la résistance à l'écaillage des barrières thermiques et entrainant la ruine du système lorsque l'énergie élastique stockée est suffisante. Si de nombreuses approches numériques existent pour prédire les champs de contraintes proches de l'oxyde, aucune ne fait pour l'instant le lien entre les phénomènes microscopiques (contrainte et endommagement interfacial) et les phénomènes macroscopiques (adhésion des interfaces/énergie stockée). L'objectif est de développé un modèle de durée de vie des barrières thermiques en prenant en compte (i) la relation entre les mécanismes d'endommagement interfacial et la diminution de la résistance à l'écaillage et (ii) l'évolution des propriétés mécaniques des différent composants du système, soumis à des chargements très sévères. L'approche proposés a aussi pour but d'être générique et donc adaptable à d'autres types de barrières thermiques. La mise en place d'un modèle de durée de vie des barrières thermiques nécessite la connaissance des propriétés thermo-mécaniques et de la morphologie de chacun des composants du système. L'analyse d'images, obtenues par microscopie électronique, a permis d'étudier l'évolution en fonction du temps et de la température de la microstructure colonnaire de la céramique, la composition chimique de la sous-couche et de la morphologie de l'oxyde. Basé sur ces observations expérimentales, un modèle incluant (i) la croissance de l'oxyde, (ii) L'expansion volumique associée à l'oxydation de la sous-couche et (iii) la morphologie réelle de l'oxyde a été établi. Cette approche a été implémentée dans un code élément finis afin de prédire les champs de contraintes et les relier ces résultats à la modélisation de la germination et de la croissance de porosités et de microfissures proche de l'oxyde. Combiné à l'évolution de la morphologie du système barrière thermiques (frittage de la céramique, croissance de l'oxyde), ce modèle permet de prendre en compte les paramètres influençant la durée de vie des barrières thermiques. Une étude paramétrique a été réalisé dans le but d'étudier l'influence de paramètres caractérisant le comportement mécanique et la morphologie des composants ainsi que le chargement thermique, et ce afin d'améliorer la compréhension et donc la modélisation des barrières thermiques. En reliant l'évolution de la résistance à l'écaillage de l'oxyde, liée à l'endommagement interfacial local, et celle de l'énergie élastique stockée, liée au forte contrainte dans le plan générées lors du refroidissement, il est possible de prédire la durée de vie des barrières thermiques. Cette approche couplant travaux expériementaux et numériques est parfaitement adapté au durée de vie des barrières thermiques utilisées sur les turbine terrestres (40,000h).