In situ investigation under thermal gradient of spallation of alumina-forming alloys and thermal barrier coatings
Étude in situ sous gradient thermique de l’écaillage d’alliages alumino-formeurs et de barrières thermiques aéronautiques
Abstract
Spallation of the alumina layer grown at high temperature at the surface of the alumina forming alloy PM2000 or that of EB-PVD thermal barrier coatings (TBCs) coated on Ni based alloys is studied using a dedicated equipment specially designed in the laboratory. The equipment is capable of imposing a thermal gradient through the sample thickness in order to test the materials in conditions as close as possible to real service condition. The equipment has also the capacity to monitor in situ the spalling events that occur during the cooling phase of samples using high resolution camera, high speed camera or infrared camera. The analysis of images performed with a dedicated software allows a accurate description of the mechanisms of spallation during the successive cycles as well as the spallation kinetics or the morphology of the spalled particules. The effects of various parameters on spallation are studied for alloy PM2000. Namely, a particular focus is placed on i) the surface roughness of the substrate ii) the oxide scale thickness, iii) the cooling rate, iv) the crystal orientation of grains, v) the number of oxidation cyles. The life of TBC is studied as a function of the oxidation temperature as well as the imposed thermal gradient. In addition, a attempt is made to determine the apparent toughness at the interface between the substrate and the TBC as well as its evolution with ageing time.
Le phénomène d'écaillage de la couche d'alumine formée à haute température sur l’alliage alumino-formeur PM2000 ou des barrières thermiques aéronautiques de type EB-PVD déposées sur des superalliages base nickel est étudié en utilisant un moyen d'essai spécialement développé au laboratoire. Entièrement automatisé, celui-ci permet de réaliser de longues campagnes de cyclage thermique tout en ayant la particularité d’imposer et de contrôler précisément un gradient de température dans la section des échantillons afin de se rapprocher des conditions réelles d’utilisation des matériaux. Le moyen d'essai est également équipé d’une caméra classique, rapide ou infrarouge afin de réaliser un suivi in situ de l'écaillage des échantillons lors des phases de refroidissement. L'analyse et le traitement informatique des séquences vidéo obtenues permettent d'étudier avec une grande précision les différents mécanismes d'écaillage observés lors des cycles successifs et d'obtenir des informations importantes, telle que les cinétiques d'écaillage ou la morphologie des écailles. Concernant l’étude du PM2000, plusieurs paramètres sont étudiés afin de comprendre leur influence sur l’écaillage : la rugosité du substrat, l’épaisseur de la couche d’oxyde, la vitesse de refroidissement, l’orientation cristallographique des grains et le nombre de cycle d’oxydation. La durée de vie des barrières thermiques est étudiée en fonction de la température d’oxydation ainsi que de la valeur du gradient thermique imposé au travers de la barrière. Des essais d’indentation interfaciale sont également réalisés afin de déterminer la ténacité apparente de l’interface substrat/TBC en fonction de l’état de vieillissement du système.
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