Crack Behavior at the interface of a plasma sprayed ceramic coating and a metallic substrate under dynamic and quasi-static multiaxial loadings - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2016

Crack Behavior at the interface of a plasma sprayed ceramic coating and a metallic substrate under dynamic and quasi-static multiaxial loadings

Fissuration à l’interface d’un revêtement plasma céramique et d’un substrat métallique sous sollicitations dynamique et quasi-statique multiaxiales

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Abstract

The work presented in this manuscript aims to investigate the growth of an interfacial flaw, whose geometry is known, under macroscopic shear loading. An experimental methodology is thus developed in which i) a ceramic/metal coated system with controlled interface roughness is processed, ii) an interfacial flaw is introduced using the laser shock technique, iii) a macroscopic shear loading is applied on the coated system using a biaxial in-plane testing device and iv) interfacial crack growth and buckling are measured in situ. Hence, both dynamic and quasi-static loadings are applied on the coated system by respectively the laser shock technique and biaxial testing. The interface roughness, which affects the crack growth, is also considered in the study. A pure alumina coating is deposited by air plasma spraying on a metallic substrate, polycrystalline cobalt base superalloy Haynes 188 and stainless steel 304L substrates, with no bond coat.First, the flaw resulting from the propagation of a laser shock wave has been analyzed according to the laser parameters and the interface roughness. An interfacial flaw is characterized by a circular delamination with a diameter of a few millimeters and a circular blister with a height of a few tens of micrometers. These characteristic dimensions have been measured thanks to non destructive techniques: 3D profilometry and image analysis based on optical observations and infrared thermography. A finite element analysis has been carried out to investigate the crack behavior under laser shock wave propagation using a cohesive contact to account for the interface behavior.The interfacial flaw growth under macroscopic shear loading has been characterized with optical observations and the digital image stereo-correlation technique. The related finite element analysis enabled to identify the local loading along the crack front and gave a first explanation about the shapes of the delaminated area observed experimentally. This analysis relies on a cohesive zone model whose applied boundary conditions are established from the displacements measured by digital image correlation technique. By this way, the delamination growth was revealed to be mostly driven by local shear (mode II and III) and the crack opening (mode I), induced by the buckling of the deposited layer and the macroscopic shear, makes the delamination growth easier. Finally, the influence of the macroscopic shear loading on the interfacial delamination has been studied from three different macroscopic shear loadings. The finite element analysis based on linear elastic fracture mechanics in a homogenous material has allowed to study the influence of the macroscopic shear loading on the local loading along the crack front.
Les travaux présentés dans ce manuscrit visent à étudier la propagation d'un défaut interfacial de géométrie connue soumis à un cisaillement macroscopique à partir d'une méthodologie expérimentale développée durant la thèse qui consiste à i) élaborer un système revêtu céramique/métal dont la morphologie d'interface est contrôlée, ii) introduire un défaut d'interface par la technique de choc laser, iii) soumettre le système revêtu pré-fissuré à un cisaillement macroscopique grâce à une machine de fatigue biaxiale coplanaire et iv) mesurer in situ l'évolution de ce défaut. Le système revêtu subit donc une sollicitation dynamique par la technique de choc laser et quasi-statique par les essais biaxiaux. La morphologie d'interface, paramètre influant sur la fissuration, est également étudiée. Un dépôt d'alumine pure est directement projeté par plasma sur un substrat métallique, un superalliage base cobalt Haynes 188 et un acier inoxydable 304L, sans sous-couche.Un premier travail d'analyse du défaut introduit par choc laser en fonction des paramètres laser et de la morphologie d'interface a tout d'abord été réalisé. Le défaut d'interface résultant se caractérise par une zone délaminée circulaire de quelques millimètres de diamètre et d'une cloque formée par la couche de céramique de quelques dizaines de micromètres de hauteur. Ces dimensions caractéristiques ont été mesurées à partir de techniques d'observation non destructives : profilométrie 3D, observation optique et thermographie infrarouge. La fissuration par choc laser a été étudiée par éléments finis grâce à un modèle de type contact cohésif pour l'interface.La propagation du défaut soumis à un cisaillement macroscopique a été caractérisée expérimentalement grâce aux observations optiques et à la technique de stéréo-corrélation d'images. L'analyse par élément finis du problème a permis d'accéder aux modes de sollicitation le long du front de fissure et de donner une première explication quant aux formes délaminées obtenues expérimentalement. Cette analyse s'appuie sur un modèle de zone cohésive dont les conditions aux limites imposées sont déterminées à l'aide des mesures de déplacement obtenues par corrélation d'images. En particulier, il a été mis en évidence que l’ouverture du front de fissure (mode I), induit par le flambage de la couche et par le chargement macroscopique, favorise la propagation du délaminage qui reste pilotée essentiellement par le cisaillement local (mode II et III). L'influence du cisaillement macroscopique dans le plan de la couche déposée sur la propagation du délaminage interfacial a ensuite été étudiée à partir de trois cas de chargement. Une analyse par éléments finis basée sur la mécanique linéaire de la rupture dans un matériau homogène a permis de déterminer l'influence du cisaillement macroscopique sur le chargement local le long du front de fissure.
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Cite

Hélène Sapardanis. Fissuration à l’interface d’un revêtement plasma céramique et d’un substrat métallique sous sollicitations dynamique et quasi-statique multiaxiales. Mécanique des matériaux [physics.class-ph]. Université Paris sciences et lettres, 2016. Français. ⟨NNT : 2016PSLEM033⟩. ⟨tel-01631321⟩
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