Ageing of thermal barrier coating systems: phases transformation, oxidation and sulfur effect on adherence
Vieillissement des systèmes barrière thermique : transformation de phases, oxydation et effet du soufre sur l'adhérence
Résumé
A thermal barrier coating system, used for turbine engine blade, is a multilayer system with a superalloy substrate. This substrate is covered by an alumino-former bond coat, which protects the substrate from oxidation by creating an alumina scale, initiated during the process. Finally a ceramic coating, the thermal barrier coating (TBC), covers the bond coat in order to decrease the work temperature. The ceramic, made of yttrium stabilized zirconia, is permeable to oxygen, leading to the development of the alumina scale all along the system life time. The system life time is limited by the spallation of the TBC, which occurs because of interfacial damage, located in particular at the bond coat/oxide interface. The adherence loss is sensitive to the chemical composition and the microstructure of the system. The aim of this work is to correlate the damage mechanisms to the microstructural and chemical evolution of the TBC system after oxidation treatments. For this purpose, the behaviour of TBC systems based on a AM1 or MCNG substrate covered by a NiAlPt bond coat, with and without TBC, has been studied during isothermal and cyclic oxidation. In addition, the influence of the oxide scale grown after short-term oxidation treatment on the long-term adherence has been tested through a pre-oxidation study. Finally, the distribution of impurities, like sulfur and reactive elements like hafnium has been followed after several oxidation treatments. This work shows that the systems based on MCNG substrate are more resistant to spallation than the ones based on AM1 substrate. This behaviour is explained by the lowest oxidation kinetic of the MCNG systems, probably due to the reactive elements presence. It has also been revealed that the formation of transient oxide during the first stages of oxidation is not detrimental for the long-term adherence. A correlation between impurity segregation at the bond coat / oxide interface and spallation has been evidenced.
Les systèmes barrières thermiques (BT), utilisés dans les turbines aéronautiques, sont des systèmes multicouches composés d'un substrat en superalliage monocristallin, d'une sous-couche d'alliage alumino-formeur sur laquelle se forme une couche d'alumine, initiée pendant le procédé de fabrication. Le tout est revêtu d'une couche en zircone, la barrière thermique, qui permet de diminuer la température de travail du substrat. Cette couche, perméable à l'oxygène, conduit au développement de l'oxyde tout au long de la vie du système. Les systèmes BT sont soumis à des contraintes thermomécaniques qui créent des endommagements, en particulier aux interfaces, pouvant mener à l'écaillage de la BT. Ces endommagements dépendent de la composition et de la microstructure des différents constituants du système. L'objectif de cette thèse est de corréler les évolutions microstructurales dans la sous-couche et dans l'oxyde à l'adhérence des systèmes BT. Pour ce faire, le vieillissement de systèmes de superalliages AM1 et MCNG revêtus d'une sous-couche NiAlPt, avec et sans barrière thermique, a été suivi sous sollicitations isothermes et cycliques à 1100°C. L'effet d'une étape de pré-oxydation sur la durée de vie à long terme après oxydation isotherme de ces systèmes a été étudié pour différents états de surface initiaux. Ce travail a permis de confirmer l'effet du type de sollicitation et de la présence de la BT sur les mécanismes d'endommagement et de mettre en évidence la meilleure résistance à l'écaillage des systèmes MCNG comparés aux systèmes AM1. Il a également montré que la formation d'alumine de transition au cours des premiers stades d'oxydation ne semblait pas néfaste pour l'adhérence du système. Enfin, la détection et la localisation par SIMS d'impuretés telles que le soufre et le carbone et d'éléments réactifs tels que le hafnium ont révélé le rôle prépondérant joué par ces éléments sur la durée de vie des systèmes BT.