Durabilité des revêtements de barrière thermique pulvérisé au plasma atmosphérique dopés aux terres rares pour le diagnostic thermique et structurel

Durability of atmospheric plasma sprayed thermal barrier coatings doped with rare earth for thermal and structural diagnosis

• Auteur / Autrice : Yankuan Liu
• Direction : Philippe Lours, Florence Ansart
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et Génie des Matériaux
• Date : Soutenance le 20/01/2021
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Aéronautique-Astronautique (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader (Toulouse ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse, Haute-Garonne). Département mécanique des structures et matériaux
• Jury : Président / Présidente : Catherine Mabru
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Lours, Florence Ansart, Catherine Mabru, Mustapha Jouiad, Fernando Pedraza Diaz, Pierre Bertrand, Zhiping Wang
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mustapha Jouiad, Fernando Pedraza Diaz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Durée de vie (ingénierie)

Échauffement aérodynamique

Photoluminescence

Mots clés libres

Barrière thermique

Durabilité

Photoluminescence

Diagnostic

Terres rares

Ténacité

TBCs

Durability

Photoluminescence

Diagnosis

Rare earth

Toughness

Résumé

Les revêtements de barrière thermique (BT) élaborés par APS sont couramment utilisés aujourd'hui dans le domaine des moteurs aéronautiques civils, en particulier sur les composants chauds des turbomachines tels que la chambre de combustion et les aubes de turbine. De nos jours, des moyens de diagnostic non intrusifs sont nécessaires pour surveiller et prédire la durée de vie des BT. Le dopage des BT avec des terres rares est une approche prometteuse pour atteindre cet objectif.Dans ce travail, CoCrAlY a été sélectionné comme bond coat, et les poudres YSZ vs YSZ:Eu (2mol% Eu3+ dopé) ont été choisies pour top coat. Trois BT avec différentes structures de dopage ont été préparées avec succès sur des substrats Hastelloy-X par APS. L'étude a comparé les changements de performance (ténacité apparente à la fracture interfaciale, morphologie TGO et mécanisme de rupture) des trois types d'échantillons, à savoir Type A (YSZ:Eu3+), Type B (YSZ:Eu3+ + YSZ) et Type C (YSZ), sous oxydation isotherme, choc thermique et oxydation cyclique. Dans le même temps, les propriétés de photoluminescence des échantillons ont été mesurées.(1) Le dopage Eu3+ à 2mol% n'a pratiquement aucun effet sur la densité et les propriétés mécaniques intrinsèques de la BT. Comme prévu, le dopage des ions Eu3+ réduit efficacement la conductivité thermique de la BT.(2) L'influence d'une faible quantité de dopage Eu3+ sur la microstructure et les propriétés mécaniques des YSZ BT sous traitement d'oxydation isotherme peut être négligée. Après avoir subi le même traitement d'oxydation isotherme, aucune inter-diffusion ne se produit entre les différentes couches, la ténacité interfaciale apparente et l'épaisseur de TGO des Types A et C sont approximativement les mêmes, et la défaillance de BT se produit principalement au niveau de l’interface entre TGO / top coat.(3) Le dopage de Eu3+ inhibe dans une certaine mesure la croissance et l'évolution de TGO pendant les essais de choc thermique et d’oxydation cyclique, ce qui a légèrement amélioré les propriétés mécaniques du BT. Le mode de défaillance du revêtement après traitement thermique cyclique est la défaillance interne à la top coat.(4) La BT de Type A est plus adaptée aux revêtements pour applications capteurs. L'intensité de photoluminescence détectée par Type B est nettement inférieure à celle de Type A, car dans le Type B, les ions Eu3+ ne sont incorporés que dans la moitié du revêtement à proximité de la bond coat et son signal lumineux est par conséquent partiellement absorbé / diffusé par la moitié supérieure de YSZ pur.(5) Il est possible d'utiliser Eu3+ comme élément marqueur de l'histoire thermique des YSZ BT pour la détection de l'histoire thermique in-situ. L'intensité lumineuse de Type A et B après traitement thermique diminue avec l'augmentation du temps d'oxydation isotherme (100 à 800 h) en raison de la pollution de surface du Cr2O3 et du CoO diffusant à partir de la bond coat après un traitement à haute température de longue durée. Cela réduit l’intensité lumineuse de la BT en raison de la re-modification de la propriété optique du revêtement. Parallèlement, l'augmentation de la porosité a également un rôle négatif pour diminuer la transmission lumineuse de la BT. A l’inverse, pour augmenter le nombre de chocs thermiques et de cycle d'oxydation, le temps de chauffage court favorise le comportement de transition de l'état amorphe à l'état cristallin, tout en améliorant le niveau de cristallinité et la croissance des cristallites à l'intérieur du revêtement, augmentant ainsi l'intensité de photoluminescence.(6) Les différences entre zone fissurée et zone non fissurée pourraient être détectées en utilisant la voie de photoluminescence. En général, l'intensité de photoluminescence de la zone défectueuse interne est plus forte que la zone intacte, ce qui est dû à la réflectivité interne élevée du signal lumineux provoquée par la zone de délamination.

Thermal barrier coatings (TBCs) processed by Atmospheric Plasma Spraying (APS) are commonly used today in the field of civil aeroengine manufacturing especially on hot-end components such as combustion chamber and turbine blades. Nowadays, means of non-intrusive diagnosis are required to monitor and predict the lifetime of TBCs. Doping TBCs with rare earths is a promising approach to achieve this goal.In this work, CoCrAlY was selected as the metallic bond coat, and the standard YSZ powder vs YSZ:Eu (2mol% Eu3+ doped) powder were chosen for the ceramic top coat. Three TBCs with different doping structures were successfully prepared on Hastelloy-X substrates by APS method. The study compared the performance changes (apparent interfacial fracture toughness, TGO morphology and failure mechanism) of the three types of specimens, namely Type A (YSZ:Eu3+), Type B (YSZ:Eu3+ + YSZ) and Type C (YSZ), under isothermal oxidation, thermal shock, and cyclic oxidation treatment. At the same time, the photoluminescence properties of the specimens were measured, and conclusions were drawn :(1) 2mol% Eu3+ doping has almost no effect on the density and intrinsic mechanical properties of YSZ coating. As expected, the doping of Eu3+ ions effectively reduces the thermal conductivity of the YSZ coating.(2) The influence of a small amount of Eu3+ doping on the microstructure and mechanical properties of the YSZ TBCs under isothermal oxidation treatment can be neglected. After undergoing the same isothermal oxidation treatment, no inter-diffusion occurs between the various layers, the apparent interfacial fracture toughness and TGO thickness of Type A coating and Type C coating are approximately the same, and the failure of the TBCs mainly occurs at the TGO/coating interface.(3) The doping of Eu3+ element inhibits the TGO growth and evolution during thermal shock and oxidation cycle treatment tests to a certain extent, which slightly enhanced the microstructure and mechanical properties of the TBCs system. The failure mode of the coating after cyclic heat treatment is the internal failure inside the ceramic top coat.(4) Type A coating is more suitable for thermal barrier sensor coatings. The photoluminescence intensity detected by Type B system is significantly lower than that of Type A, because in Type B coating Eu3+ ions are only incorporated in the lower half of the YSZ coating close to the bond coat and its light signal is consequently partially absorbed/scattered by the upper half of pure YSZ.(5) It is very feasible to use Eu3+ dopant as a thermal history marker element of YSZ TBCs for in-situ thermal history detection. The luminous intensity of Type A and Type B specimens after heat treatment decreases with the increase of isothermal oxidation time (100 - 800h) because of the surface pollution of Cr2O3 and CoO diffusing from the bond coat after long-term high temperature oxidation treatment. This reduces the coating’s luminous intensity due to re-modification of the coating’s optical property. Meanwhile, the increase of porosity also has a negative role to decrease the light transmission of the coating. On the contrary, for increasing the number of thermal shock and oxidation cycle, the short heating time promotes the transition behaviour from amorphous to crystalline state, whereas improving the crystallinity level and the growth of crystallites inside the coating, thereby increasing the photoluminescence intensity.(6) Differences of cracked area and uncracked areas could be detected by using the photoluminescence route. Generally, the photoluminescence intensity of the internal defective area is stronger than the well-deposited area, which is because of the high internal reflectivity of light signal caused by the sub-surface in the delamination area. But it should be noticed that coating’s surface morphology, such as porosity, roughness and thickness change could significantly affect the photoluminescent NDT result.