Etude de l'adhérence de barrière thermique EB-PVD par choc laser (LASAT) pour le développement d'un contrôle non-destructif sur aube de turbine aéronautique

Interfacial strength measurement of EB-PVD Thermal Barrier Coatings by laser shock and development of a non-destructive test on turbine blade

• Auteur / Autrice : Geoffrey Bégué
• Direction : Vincent Guipont
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance le 15/12/2015
• 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 : Christophe Coupeau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Guipont, Michel Arrigoni, Pascal Bilhe
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Daniel Monceau, Pascal Forquin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Résistance des matériaux

Matériaux céramiques

Mots clés libres

Revêtement céramique Barrière Thermique EB-PVD

Adhérence

LASAT-2D

CND

Endommagement

Durée de vie

EB-PVD Thermal Barrier Coatings

Mechanical adhesion

LASAT-2D

NDT

Damage

Lifespan

Résumé

L'évaluation de la résistance interfaciale des systèmes barrière thermique EB-PVD est primordiale afin de pouvoir contrôler la production d'aubes de turbine revêtues et d'améliorer la compréhension des phénomènes d'écaillage de la céramique qui se produisent en fonctionnement. L'essai d'adhésion par choc laser LASAT qui s'appuie sur la propagation bidimensionnelle des ondes de choc (le phénomène LASAT-2D) consiste à mesurer le diamètre de fissure interfaciale pour différents tirs effectués à densité de puissance laser croissante. L'application de l'essai LASAT sur une pièce industrielle nécessite d'effectuer le choc du côté revêtu de céramique. Un adhésif vinylique protecteur ainsi qu'un milieu de confinement par adhésif transparent sont utilisés afin de générer un choc en surface de la céramique. La propagation de l'onde de choc est étudiée à travers des expériences spécifiques ainsi qu'une simulation numérique. La fissuration de l'interface est révélée par la présence d'une tache qui est mesurée par observation optique du dessus de la céramique. La reproductibilité de l'essai LASAT appliqué côté céramique est établie. Dans l'optique de valider un protocole de contrôle non destructif, le cyclage thermique est utilisé pour évaluer la nocivité d'une zone choquée présentant ou non des fissures. La présence de fissures à l'interface entre l'alumine et la zircone ne diminue pas la durée de vie à écaillage d'aubes de turbines lors du cyclage thermique. La tenue mécanique initiale de la céramique est comparée de manière qualitative et quantitative pour différents échantillons et qualitativement pour plusieurs aubes de turbine. L'évolution de la résistance interfaciale en fonction du cyclage thermique est étudiée. On démontre également sur plusieurs échantillons une corrélation entre l'adhérence initiale mesurée par LASAT et la durée de vie à écaillage par cyclage thermique.

The assessment of the interface strength of EB-PVD thermal barrier coating (TBC) is a key issue to control the production and better understand the ceramic spallation that will occur during life duration of coated turbine blades. The Laser Shock Adhesion Test (LASAT) involving bi-dimensional shock wave propagation, namely the LASAT-2D, consists in measuring the interfacial crack diameter when implementing a set of laser shocks with increased laser power densities. Applying the LASAT onto an industrial blade requires implementing the laser shock onto the ceramic side. A protective vinylic adhesive tape and a confinement by transparent adhesive tape are used to generate the shock on the ceramic. Shock wave propagation is studied through specific experiments and a numerical simulation. The interfacial crack is revealed by the presence of a spot that could be measured on a top-view optical image of the ceramic. Reproductibility of the LASAT applied on the coated side of the TBC is thereby established. Harmfulness of a loaded area with and without cracks is investigated thanks to thermal cycling in order to validate a non-destructive protocol. The presence of cracks at the interface between alumina and zirconia does not reduce the life duration of coated turbine blades in thermal cycling. Initial adhesion strength is compared both qualitatively and quantitatively for different samples and qualitatively for some turbine blades. Evolution of the interface strength with thermal cycling is presented. A correlation between initial adhesion and time of spallation of the ceramic is demonstrated on different samples.