Degradation behaviour of a thermal barrier coating and a nickel aluminide coating on a single crystal superalloy submitted to themal and mechanical transients.
Endommagement sous sollicitations thermiques et mécaniques d'un aluminiure de nickel et d'une barrière thermique déposés sur un superalliage monocristallin
Résumé
Thermal Barrier Coatings (TBCs) are used to protect turbine blades in the SNECMA-M88 aeroengine. A bondcoat (NiAl-Pt) lies between the substrate, a single crystal superalloy and a ceramic layer (EBPVD ZrO2-7% Y2O3).
The bondcoat rheology has been studied in the brittle and the viscoplastic domains and a fatigue failure criterion has been established and applied to the thermal fatigue behaviour.
The study of the whole TBC is focussed on its interfacial resistance after annealing at 1373K, its behaviour under low cycle fatigue at 1373K and thermal-mechanical fatigue between 373K and 1373K. Annealing at 1373K of adhoc samples, followed by a monotonic tensile test at RT led to cohesive delamination of the interface between the aluminaforming bondcoat and the alumina scale which was affected by cavitation. Spalling of the two oxides could then occur.
Delamination was also studied locally by interfacial indentation tests. Low cycle fatigue tests at 1373K conducted with several different mechanical cycles led to oxidized transverse cracking of the bondcoat. Possible delamination at the alumina/bondcoat interface was related to cavitation. Anisothermal cycling induced multiple cracking at the beginning of the test and cavitation within the alumina scale. The increasing number of cavities and their coalescence led to an adhesive delamination very near the alumina/zirconia interface.
Thermal, mechanical and growth stresses were taken into account in the analyses. The distributions of the alumina scale thicknesses and interfacial cavities sizes have been quantified. These two parametres have been correlated to the substrate curvature in isothermal conditions. A model developed gives an estimation of the critical interfacial energy release rate. In anisothermal conditions, the oxidation kinetics cannot only be related to the substrate curvature. The model developed, based on reinitialisations of the isothermal kinetics, describes well the experimental results.
The bondcoat rheology has been studied in the brittle and the viscoplastic domains and a fatigue failure criterion has been established and applied to the thermal fatigue behaviour.
The study of the whole TBC is focussed on its interfacial resistance after annealing at 1373K, its behaviour under low cycle fatigue at 1373K and thermal-mechanical fatigue between 373K and 1373K. Annealing at 1373K of adhoc samples, followed by a monotonic tensile test at RT led to cohesive delamination of the interface between the aluminaforming bondcoat and the alumina scale which was affected by cavitation. Spalling of the two oxides could then occur.
Delamination was also studied locally by interfacial indentation tests. Low cycle fatigue tests at 1373K conducted with several different mechanical cycles led to oxidized transverse cracking of the bondcoat. Possible delamination at the alumina/bondcoat interface was related to cavitation. Anisothermal cycling induced multiple cracking at the beginning of the test and cavitation within the alumina scale. The increasing number of cavities and their coalescence led to an adhesive delamination very near the alumina/zirconia interface.
Thermal, mechanical and growth stresses were taken into account in the analyses. The distributions of the alumina scale thicknesses and interfacial cavities sizes have been quantified. These two parametres have been correlated to the substrate curvature in isothermal conditions. A model developed gives an estimation of the critical interfacial energy release rate. In anisothermal conditions, the oxidation kinetics cannot only be related to the substrate curvature. The model developed, based on reinitialisations of the isothermal kinetics, describes well the experimental results.
Les barrières thermiques sont destinées à protéger les aubes de turbine du moteur SNECMA-M88. Une sous-couche antioxydante (NiAl-Pt) lie le substrat à une couche de céramique (ZrO2-7% Y2O3 EBPVD).
La rhéologie de NiAl-Pt a été étudiée dans les domaines fragile et viscoplastique et un critère de fissuration en fatigue a été établi et appliqué à la fatigue thermique.
L'étude de la barrière thermique complète s'intéresse à sa résistance interfaciale après une préoxydation à 1100°C, à sa tenue en fatigue oligocyclique isotherme à 1100°C et en fatigue anisotherme entre 100°C et 1100°C. Une préoxydation à 1100°C d'éprouvettes adaptées, suivie d'une traction monotone à température ambiante, induisent un délaminage cohésif à l'interface sous-couche/alumine, qui est affecté par une cavitation. L'écaillage des deux oxydes (alumine et zircone) peut ensuire survenir. Le délaminage est aussi étudié localement par des essais d'indentation interfaciale. La fatigue oligocyclique isotherme à 1100°C, conduites avec différents types de chargement, montrent une fissuration transverse de la sous-couche. Le délaminage qui affecte parfois l'interface alumine/sous-couche est lié à la cavitation. La sollicitation anisotherme produit une multifissuration au début de l'essai et une cavitation incluse dans l'alumine. Il en résulte un délaminage adhésif localisé près de l'interface alumine/zircone.
L'état de contrainte d'origines thermique, mécanique et résultant de la croissance de l'alumine, ainsi que les distributions d'épaisseurs d'alumine et de tailles de cavités interfaciales ont été quantifiées. Ces deux derniers paramètres ont été corrélés à la courbure du substrat en conditions isothermes. Une modélisation donne une estimation de l'énergie de rupture interfaciale. En conditions anisothermes, la cinétique d'oxydation ne peut plus être relié à la seule courbure du substrat. Un modèle basé sur des réinitialisations de la cinétique isotherme décrit bien l'expérience.
La rhéologie de NiAl-Pt a été étudiée dans les domaines fragile et viscoplastique et un critère de fissuration en fatigue a été établi et appliqué à la fatigue thermique.
L'étude de la barrière thermique complète s'intéresse à sa résistance interfaciale après une préoxydation à 1100°C, à sa tenue en fatigue oligocyclique isotherme à 1100°C et en fatigue anisotherme entre 100°C et 1100°C. Une préoxydation à 1100°C d'éprouvettes adaptées, suivie d'une traction monotone à température ambiante, induisent un délaminage cohésif à l'interface sous-couche/alumine, qui est affecté par une cavitation. L'écaillage des deux oxydes (alumine et zircone) peut ensuire survenir. Le délaminage est aussi étudié localement par des essais d'indentation interfaciale. La fatigue oligocyclique isotherme à 1100°C, conduites avec différents types de chargement, montrent une fissuration transverse de la sous-couche. Le délaminage qui affecte parfois l'interface alumine/sous-couche est lié à la cavitation. La sollicitation anisotherme produit une multifissuration au début de l'essai et une cavitation incluse dans l'alumine. Il en résulte un délaminage adhésif localisé près de l'interface alumine/zircone.
L'état de contrainte d'origines thermique, mécanique et résultant de la croissance de l'alumine, ainsi que les distributions d'épaisseurs d'alumine et de tailles de cavités interfaciales ont été quantifiées. Ces deux derniers paramètres ont été corrélés à la courbure du substrat en conditions isothermes. Une modélisation donne une estimation de l'énergie de rupture interfaciale. En conditions anisothermes, la cinétique d'oxydation ne peut plus être relié à la seule courbure du substrat. Un modèle basé sur des réinitialisations de la cinétique isotherme décrit bien l'expérience.