Comportement mécanique d'alliages pour couches de liaison de barrière thermique par microindentation instrumentée à haute température, Analysis of the mechanical behaviour of bondcoat alloys for thermal barrier systems from high temperature instrumented microindentation experiments

Arnaud Villemiane

Description

Sous la direction de Richard Kouitat Njiwa
Thèse soutenue le 15 décembre 2008: INPL
Les systèmes barrières thermiques protégeant les aubes de turbine sont des multicouches constitués d’une couche céramique isolante appliquée sur un superalliage par l’intermédiaire d’une couche de liaison qui, dans les systèmes actuels est à base de NiAl(Pt). Pour en comprendre et décrire le comportement thermomécanique, il est nécessaire de connaître le comportement de chaque couche, en particulier celui de la couche de liaison dont le rôle est critique. Nous avons employé une technique originale, la microindentation instrumentée à chaud (jusqu’à 850°C), pour obtenir des informations sur le comportement mécanique de matériaux de couches de liaison. Il a fallu d’abord fiabiliser le dispositif pour minimiser les effets d’oxydation et caractériser la stabilité thermique pour s’assurer de la validité et la reproductibilité des résultats. Un second volet a consisté à mettre en place une méthode de traitement de données et une méthode d’analyse inverse des résultats associant une approche analytique et une simulation de l’essai par éléments finis. Les essais menés sur des matériaux massifs élaborés sous forme de couples de diffusion pour explorer une large gamme de compositions ont permis de déterminer la loi de comportement élastoviscoplastique du composé NiAl(Pt) sous forme [bêta] et sous forme martensitique. Des propriétés mécaniques ont été également été déterminées sur les composés NiAl(Ru) et NiAl(Zr) envisagés pour des systèmes futurs. L’influence des divers éléments (Al, Pt et Ru) a pu ainsi être mise en évidence. Finalement des essais ont été effectués sur des couches de liaison de barrière thermique et les résultats corrélés à ceux obtenus sur matériaux massifs
-Microindentation instrumentée
-Aluminiure de nickel
-Loi de comportement
-Barrière thermique
-Fluage
-Haute température
Thermal barrier systems, which protect turbine blades, are multilayers constituted of an insulating ceramic layer applied on a metallic bondcoat itself in contact with the superalloy substrate. A widely used bondcoat is composed of a NiAl(Pt) compound. In order to understand and describe the thermomechanical behaviour of such systems, it is required to know the mechanical behaviour of each layer, in particular that of this bondcoat whose role is critical for maintaining the integrity of the systems. In this study, we have employed an original technique – high temperature instrumented microindentation, up to 850°C – to extract information on the mechanical behaviour of bondcoat materials. A preliminary phase consisted in improving the experimental procedure - in particular to minimise oxidation phenomena - and in characterising the thermal stability of the equipment at high temperature to ensure the reliability, validity and reproducibility of the results obtained. We have then developed a systematic data treatment and an inverse problem analysis combining analytical approaches and a FEM simulation of the experiment to extract a mechanical behaviour law of the materials investigated. Tests performed on bulk diffusion couples, selected to explore a wide range of compositions representative of aging bondcoats, permitted to extract an elastic viscoplastic behaviour law of NiAl(Pt), both in the B2 phase and in the martensitic phase. Some mechanical properties could also be determined on NiAl(Ru) and NiAl(Zr) systems. Finally the results of a few tests performed on thermal barrier bondcoats could be correlated with the results obtained on bulk materials
-Instrumented microindentation
-Behaviour law
-Nickel aluminide
-Creep
-High temperature
-Thermal barrier coating
Source: http://www.theses.fr/2008INPL112N/document

Sujets

• Résistance des matériaux
• Barrière thermique
• Fluage

Informations

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• Poids de l'ouvrage: 25 Mo

Extrait

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THESE de DOCTORAT de
l’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE (Nancy)


Spécialité

Energie, Mécanique et Matériaux



présentée par

M. Arnaud VILLEMIANE



Pour l’obtention du grade de

DOCTEUR DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE



Analyse du comportement mécanique
d’alliages pour couches de liaison de barrière thermique
par microindentation instrumentée à haute température



Soutenue à Châtillon le 15 décembre 2008 devant le jury composé de :

Ecole Européenne d’Ingénieurs
Président J. Steinmetz en Génie des Matériaux
Ecole Centrale de Lyon Rapporteur J.+L. Loubet
SNECMA Rapporteur J.+Y. Guédou
Institut National Polytechnique
Examinateur J.+P. Bauer de Lorraine
Ecole des Mines de Nancy Directeur scientifique R. Kouitat
ONERA B. Passilly Encadrant
ONERA Encadrant R. Mévrel
DGA Invité P. Chéreau





THESE PREPAREE AU SEIN DU DEPARTEMENT MATERIAUX ET STRUCTURES
METALLIQUES (DMSM) DE L’ONERA









« La science consiste à oublier ce qu’on croit savoir,
et la sagesse à ne pas s’en soucier. »

Charles Nodier











































Remerciements

es travaux présentés dans ce mémoire ont été réalisés dans le Département Matériaux et
Structures Métalliques (DMSM) de l’ONERA. Cette thèse a été financée par une bourse de la
Délégation Générale pour l’Armement (DGA). Ces quelques premières lignes sont pour tous ceux L
et celles qui ont participé de près comme de loin à l’aboutissement de ce travail. Je ne peux que
les remercier de leur aide, de leur gentillesse, de leur patience parfois… mais le résultat arrive enfin à terme…

Je tiens à remercier tout d’abord M. Shigehisa Naka, Directeur du DMSM, pour m’avoir accueilli dans ses
laboratoires pour effectuer mes travaux de thèse.

Je remercie vivement M. Richard Kouitat du Laboratoire de Science et Génie des Surfaces de l’Ecole des Mines
de Nancy pour avoir assuré la direction scientifique de ma thèse.

Je remercie très sincèrement MM. Jean?Luc Loubet de l’Ecole Centrale de Lyon et Jean?Yves Guédou de
Snecma pour m’avoir fait l’honneur d’être rapporteurs de ma thèse. Je remercie également MM. Jean?Philippe
Bauer et Jean Steinmetz de l’Ecole Européenne d’Ingénieur en Génie des Matériaux ainsi que M. Pascal Chéreau
de la DGA pour avoir participé à mon jury de soutenance de thèse le 15 décembre 2008.

Je voudrais exprimer ma sincère gratitude et toute ma reconnaissance à MM. Rémy Mévrel, Bruno Passilly et
Me. Pascale Kanouté pour leur encadrement au quotidien, leur aide dans les moments les plus difficiles, leur
disponibilité, leurs remarques pertinentes pour la rédaction de ce mémoire et leur patience et leur pédagogie
tout au long de ces trois années de thèse.

Merci également à Thierry Ochin, Sophie Garabédian, Yveline Miart, Martine Snedder, Géraldine Georges pour
leur efficacité dans les tâches administratives de l’ONERA, du LSGS et de l’Ecole Doctorale EMMA.

Je tiens maintenant à remercier toutes les personnes qui m’ont aidé au cours de trois années (en espérant
n’oublier personne, sinon je m’en excuse par avance). Un grand merci à Jean?Luc Lunel, Stéphane Landais et
Christophe Rouaud qui m’ont fourni les pains de matériaux et réalisé la majeure partie des traitements
thermiques de diffusion, Claire Sanchez pour ses travaux de diffraction X, Jean?Marc Dorvaux (pour son aide
précieuse pour résoudre urgemment les « bugs » informatiques et, au?delà, pour son aide pour les calculs
thermiques). Merci à Jacky Mallarmé pour sa rapidité d’exécution des pièces et sa gentillesse. Je n’oublierais
pas de remercier Denis Boivin (merci pour les chocolats), Yves Renollet (le petit déjeuner devra encore
attendre un peu, malheureusement !) pour leur aide et leur disponibilité dans le traitement des images AFM et
la réalisation des acquisitions et des analyses EBSD. Merci à Anne Denquin et Agnès Bachelier?Locq pour leur
partage concernant la compréhension des transformations de phases de l’alliage. Merci à Serge Naveos, Pierre
Caron, Didier Locq, Stéphane Drawin, Jean?Louis Raviart, Michel Armand, Alain Rafray, Didier Mézières, Régis
Bouchet pour leur disponibilité. Un merci particulier à Pierre Josso, Jérôme Lozat, Sébastien Mercier, Marie?
Hélène Ritti pour avoir remis en fonctionnement des fours de traitements thermiques pour les besoins de mes
travaux. Je remercie également l’équipe des filles de l’ONERA, Catherine Rio (pour m’avoir toujours aidé dès
que j’avais besoin d’aide), Martine Poulain et Odile Lavigne (pour leurs précieux conseils de fin de rédaction et
de préparation de la soutenance), Monique Raffestin (pour toute sa gentillesse… en attendant de pouvoir

goûter un jour peut?être les ricouflettes à queue !). Je ne serai pas sans oublier Catherine Ramusat, Ariel
Morel, Marie?Hélène Vidal?Sétif, Fabienne Popoff avec qui il fut bien agréable de travailler même
ponctuellement. Je remercie par ailleurs Michel Béjet (pour sa disponibilité pour l’impression – toujours en
dernière minute – des posters de séminaire et de congrès), Jean?Claude Daux, Yohan Petit et Jean?François
Justin pour leur bonne humeur quotidienne. Je tiens également à remercier François?Henri Leroy pour son aide
précieuse dans la mise au point des méthodes d’analyse des résultats de microindentation instrumentée, pour
m’avoir expliqué moult fois, toujours avec patience et pédagogie, les différentes méthodes employées. Merci
aussi à Jean?Louis Chaboche, Franck Gallerneau, Arjen Roos, Jean?François Maire pour leurs conseils et leurs
remarques vives mais toujours pertinentes pour l’analyse mécanique du problème d’indentation.

Merci à tous les stagiaires qui ont contribué à l’avancée de ces travaux : Ingrid Picas, Jérôme Quatrefages
(devenu collègue maintenant !), Melvin Kollannur, Nicolas Touti et sans oublier Serge Sélezneff (clin d’œil
particulier à ces moments de franche camaraderie sans mettre en péril les travaux menés !).

Je remercie tous mes amis (certains furent avant moi doctorants et comprendront combien il est difficile de
venir à bout d’un tel travail…), les thésards et les stagiaires qui ont permis de rendre ce labeur plus facile à
surmonter au quotidien : Alexandra B. et Antoine V., Guillaume et Sophie D., Karine C., Marie?Anne P., Pierre?
Yvan T. et Céline M., Aurélie S., Christophe R. et Diana, Sébastien M., Jérôme L., Eric C., Céline R. et Alban C.,
Virgine et Sébastien V. (sans oublier Sacha),… Gaël L., Mathieu D. et Pamela (en attendant avec impatience
notre visite au Pérou), Marc P. et Aurélie et d’autres, plus loin des yeux mais toujours présents (Adrien M. et
Micol, Adrien T., Benoît T., Benoît B. et Véronique F.). Un merci particulier à Ludo et Manon pour ces petits
moments de détente au bord de l’eau qui permettent de faire le tri dans ses idées…

Une pensée toute particulière à Sarah H. pour avoir partagé pendant un peu plus de deux ans et demi notre
bureau et avoir pu tenir ce rythme effréné de cafés… J’en profite pour remercier Sébastien R. d’être ve