Influence des propriétés optiques et de l'endommagement de barrières thermiques EB-PVD pour la mesure d'adhérence par choc laser LASAT-2D

Influence of optical properties and of the damaging of EB-PVD thermal barrier coatings for the measurement of adhesion by laser shock LASAT-2D

• Auteur / Autrice : Grégory Fabre
• Direction : Vincent Guipont, Michel Jeandin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance le 09/12/2013
• Etablissement(s) : Paris, ENMP
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Franck Enguehard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Guipont, Michel Jeandin, François Lepoutre, Patrice Peyre, Annie Pasquet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Ghislaine Bertrand, Hervé Trumel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Surfaces -- Propriétés optiques

Effets des hautes températures

Zircone -- Couches minces

Mots clés libres

Choc laser

Barrière thermique

Adhérence

Lasat

Endommagement

Propriétés optiques

Laser shock

Thermal barrier coating

Adhesion

Lasat

Damage

Optical properties

Résumé

Les barrières thermiques avec zircone EB-PVD pour les turbines aéronautiques sont soumises à des conditions extrêmes qui conduisent à l'écaillage du dépôt. La prévention de leur endommagement est donc nécessaire pour assurer l'intégrité des pièces. Afin de comprendre et de reproduire leur évolution dans une turbine, les barrières thermiques actuelles sont soumises à des essais longs de cyclage thermique. L'essai LASAT est un essai d'adhérence rapide à mettre en oeuvre qui se place en complément du cyclage thermique. L'impulsion laser appliquée sur la face nue de l'AM1 génère une onde de choc de compression qui se propage jusqu'à la surface libre de la zircone. La réflexion forme une onde de traction qui effectue le trajet inverse et peut rompre les interfaces qu'elle traverse. Le décohésion génère une tache blanche dans la zircone directement visible à l'oeil. Ce phénomène optique est élucidé en relation avec la microstructure de la zircone et la présence d'une fissure à l'interface. Pour connaitre le potentiel de l'essai, une large gamme d'échantillons avec différentes orientations du superalliage, quatre préparations de sous-couche, cinq microstructures de zircone et deux vieillissements thermiques ont été utilisés.Leur caractérisation a permis de les classer et de comparer leurs évolutions et leurs endommagements par cyclage thermique ou par LASAT. Le dimensionnement des fissures interfaciales par des méthodes non destructives a été réalisé par piézospectroscopie en exploitant les cartographies associées au signal defluorescence, par profilométrie et à partir de la tache blanche. Une approche simple et innovante exploitant et optimisant le comportement optique de la zircone est mise en place. Les tailles des fissures relevées ont mis en évidence le rôle des ondes 2D et permis la réalisation de l'essai LASAT-2D. Ici, ce n'est plus l'apparition de la fissure qui est recherchée, mais sa taille qui peut directement informer de l'adhérence à partir d'un seul choc laser. La modélisation numérique a confirmé le rôle de ces ondes 2D et leur potentield'utilisation par des abaques LASAT-2D. Ces courbes permettent de distinguer différentes préparations de barrières thermiques brutes d'élaboration ou vieillies. Un protocole complet est ainsi fourni pour le contrôle, la mesure et le suivi de la tenue mécanique de barrières thermiques sur des éprouvettes usuelles industrielles. Dans des essais complémentaires, le LASAT-2D a été appliqué en ''face avant'', avec le choc coté zircone, sur des éprouvettes et des pièces industrielles. Les mêmes tendances que pour le LASAT-2D développé dans cette thèse sont observées. Ceci autorise la perspective de l'application de cet essai et de cette méthodologie sur des formes complexes et fermées, telles les aubes de turbine.

EB-PVD thermal barrier coatings used in aircraft turbines are subjected to extreme conditions that lead to their spallation. To ensure the integrity of the parts, it's necessary to prevent coating damages. In order to understand and reproduce their evolution in a turbine, current thermal barrier coatings are subjected to long thermal cycling. The LASAT is a rapid adhesion test that could complement the thermal cycling. The laser pulse applied to the AM1 face generates a compressive shock wave which propagates towards the free surface of the zirconia. The reflection of this wave generates a tensile shock wave which can damage the interface and create a white spot in zirconia top coat. To determine the potential of the test, a wide range of samples with different superalloy orientations, bondcoat preparations, zirconia microstructures and thermal aging were used. Characterizations were carrying out to classify and compare their evolution and their damage by thermal cycling or LASAT. The size of interfacial cracks by non-destructive tests was achieved by piezospectroscopie maps associated with the fluorescent temporal signal, by profilometry and from the white spot. A simple and innovative approach by optimizing the optical behavior of zirconia is developed. These results highlight the role of 2D waves and allow the realization of the testLASAT-2D. Here, it is not the appearance of the crack that is looking for, but its size, which can directly inform about the mechanical adhesion from a single laser shock. Numerical modeling has confirmed the influence of 2D shock waves and their potential using LASAT-2D charts. These curves are used to distinguishdifferent preparations of thermal barrier coatings as produced and after thermal aging. A complete protocol is thus provided for monitoring, measuring and determine the interface strength of thermal barrier coatingson industrial specimens. On further testing, LASAT-2D was applied directly on the coating of specimens and industrial parts. The same results as for the 2D-LASAT developed in this thesis are observed. This allows the prospect of the application of this test and the methodology on complex and closed shapes, suchas turbine blades.