Essais de fatigue thermomécanique

L’objectif principal de cette thèse est de renforcer l’ancrage mécanique par texturation laser entre la sous-couche γ/γ’ et la zircone yttriée afin d’augmenter la tenue en service des systèmes barrières thermiques. Pour vérifier la pertinence d’une telle solution technologique, il a été établi d’évaluer la tenue à l’écaillage des systèmes BT texturés lors de sollicitations complexes, proches de celles ressenties par les aubes de turbine HP en service, et ce sous environnement sévère. Pour ce faire des essais de fatigue thermomécanique hors phase avec gradient

43 thermique pariétal (TGMF – Thermal Gradient Mechanical Fatigue) ont été effectués sur le banc MAATRE.

3.4.1 Le banc d’essai MAATRE

Le banc MAATRE (Mécanique et Aérothermique des Aubes de Turbines Refroidies), développé par l’institut Pprime, permet de reproduire des chargements de fatigue thermomécanique représentatifs de ceux rencontrés dans les parties chaudes des turboréacteurs [22]. La figure 16 présente l’ensemble du banc. Il est constitué d’une machine surélevée Instron 8862 électromécanique d’une capacité de +/- 100 kN assurant les chargements mécaniques, d’un brûleur alimenté en gaz naturel et ayant une puissance thermique maximale de 550 kW, d’un convergent et d’une veine d’essais en alliage de cuivre ayant un diamètre interne de 60 mm. Cette veine, présentée sur la figure 17 est refroidie à l’eau lors des essais.

Ce banc permet de travailler dans une gamme de température variant de 300°C à 1600°C et d’atteindre des transitoires de température très élevés (vitesses de chauffage supérieures à 300°C/s dans la gamme de température 500-1200°C).

44 figure 17 - Veine d'essais du banc MAATRE

1.1.3 Géométries des éprouvettes

Les essais de fatigue thermomécanique ont été réalisés sur des éprouvettes tubulaires de diamètre 11 mm extérieur et 9 mm intérieur sur toute la section utile de 25 mm de longueur (figure 18). L’usinage interne de l’éprouvette (perçage et rodage) permet ensuite le refroidissement interne du matériau induisant des gradients thermiques pariétaux.

figure 18 - Géométrie des éprouvettes de fatigue thermomécanique

1.1.4 Conditions de chargement

Pour évaluer la pertinence de la solution technologie développée lors de ces travaux, il a été choisi d’étudier le comportement des systèmes barrières thermiques, avec ou sans texturation

45 au niveau de la sous-couche d’accroche en fatigue thermomécanique hors phase. Le cycle appliqué est le suivant :

- Montée en température : 60s/20°C.s-1 - Palier chaud : 1h/-100 MPa/Tmax - Descente en température : 60s/20°C.s-1 - Palier froid : 30s/700 MPa/500°C

La température Tmax, appliquée à l’amont des éprouvettes vis-à-vis de l’écoulement du flux, est fortement dépendante du revêtement appliqué ou non sur les éprouvettes. Les paragraphes suivants décrivent comment cette dernière a été établie.

Tous ces essais ont été effectués avec un débit de refroidissement interne constant, égal à 17 Nm3/h et 13 Nm3/h pour les éprouvettes non revêtues et revêtues, respectivement.

1.1.5 Calibrations thermiques

Les éprouvettes cyclées seront donc soumises à un écoulement turbulent et seront chauffées par convection forcée externe. Il est nécessaire donc de contrôler la température imposée aux éprouvettes. Or, pour pouvoir coupler les résultats de fatigue thermomécanique à ceux obtenus en oxydation cyclique, il a été choisi d’imposer une température de 1150°C à l’interface sous-couche/superalliage.

Une caméra thermique infrarouge à micro-bolomètres (Optriss PI 450) a donc été utilisée pour mesurer la température appliquée en surface des éprouvettes. La figure 19.a montre le gradient thermique obtenu sur une éprouvette de CMSX4 Plus non revêtue. Il est cependant impossible de mesurer par une quelconque instrumentation la température imposée à l’interface sous-couche/superalliage. Pour pallier ce problème, des calculs de bilan thermique décrits dans l’annexe 2 ont été effectués et ont permis d’établir le fait qu’il faille imposer, dans des conditions de refroidissement interne fixées (13 Nm3/h de débit), une température de 1180°C à la surface de la barrière thermique pour atteindre l’objectif souhaité à l’interface (figure 19.b).

46 figure 19 - Mesures du gradient thermique sur la surface : (a) d’une éprouvette non revêtue et (b) d’une éprouvette revêtue du système barrière thermique de référence

Pour vérifier ces résultats, un essai de fluage de 24 h à 100 MPa sur une éprouvette revêtue a été effectué dans les conditions de chargements thermiques théoriques. Après essais, l’éprouvette a été découpée longitudinalement, polie jusqu’au micron, attaquée chimiquement et observée en microscopie électronique à balayage. Cet essai a permis la mise en radeaux des précipités γ’, facilitant ainsi la mesure de la fraction surfacique des précipités γ’. Or, à partir de ces mesures, il est possible de remonter à la température vue par le substrat. En effet, l’annexe 3 présente l’étude préalablement faite à cette thèse et qui a permis d’établir l’évolution de la fraction surfacique des précipités γ’ en fonction de la température, pour divers superalliages monogranulaires à base nickel. Les résultats obtenus en termes de fraction surfacique de précipités γ’, donnés dans l’annexe 2, ont permis alors de confirmer le fait qu’en appliquant 1180°C à l’extrême surface de la couche céramique, la température à l’interface sous-couche/superalliage est proche des 1150°C.

3.4.2 Matrice d’essais

Des essais sur différents superalliages monogranulaires sans revêtement ont dans un premier temps été effectués afin d’évaluer leur comportement face à de telles conditions de sollicitation. Une éprouvette d’AM1 et une de CMSX4 Plus ont donc été testées en fatigue thermomécanique. Avant chaque essai, les éprouvettes non revêtues ont été scrupuleusement polies (jusqu’au papier 4000 SiC) pour minimiser les défauts de surface pouvant être des sites préférentiels d’amorçage de fissures.

47 Dans un second temps, le système barrière thermique de référence a été cyclé en fatigue thermomécanique. De plus, pour évaluer l’influence des différentes couches du système barrière thermique sur la durée de vie en fatigue thermomécanique, un essai sur une éprouvette uniquement revêtue de la sous-couche γ/γ’ a également été effectué. Puis, l’influence des motifs de texturation sur les propriétés en fatigue thermomécanique a enfin été évaluée. Pour une question de coût, seulement deux morphologies de surface texturées ont pu être étudiées lors de cette campagne d’essais, morphologies sélectionnées sur la base de leur tenue en oxydation cyclique.

En outre, le comportement du système barrière thermique de référence a été comparé à un système de type AM1/NiAlPt/YSZ plus communément utilisé par le groupe SAFRAN. Enfin, une étude sur l’influence d’un pré-vieillissement de 100 h à 1150°C a été menée, afin d’évaluer l’impact d’une dégradation longue durée du système BT sur les propriétés en TGMF. Les vieillissements thermiques ont été effectués, préalablement aux essais de fatigue thermomécanique, dans un four Nabertherm 1800. Afin de ne pas favoriser un quelconque écaillage des éprouvettes revêtues, il a été décidé de refroidir l’ensemble des éprouvettes au four avec des transitoires proches des 10°C/min.

Le tableau 6 tableau 1récapitule l’ensemble des essais de fatigue thermomécanique conduits lors de ces travaux de thèse. Au regard du prix de tels essais, un seul essai par condition a été effectué.

tableau 6 - Matrice d'essais de fatigue thermomécanique avec gradients thermiques pariétaux Matériaux Sous-couche BT Texturation Pré-vieillissement Tmax (°C)

AM1 X X X X 1150°C

CMSX4 Plus X X X X 1150°C

CMSX4 Plus γ/γ’ X X X 1150°C

CMSX4 Plus γ/γ’ YSZ X X 1180°C

CMSX4 Plus γ/γ’ YSZ 1er motif X 1180°C

CMSX4 Plus γ/γ’ YSZ 2ème motif X 1180°C

AM1 NiAlPt YSZ X X 1180°C

CMSX4 Plus x X X 1h – 1150°C RF : 10°C/min 1150°C CMSX4 Plus γ/γ’ X X 1h – 1150°C RF : 10°C/min 1150°C CMSX4 Plus γ/γ’ YSZ X 1h – 1150°C RF : 10°C/min 1180°C CMSX4 Plus γ/γ’ YSZ 1er motif 1h – 1150°C RF : 10°C/min 1180°C CMSX4 Plus

γ/γ’ YSZ 2ème motif 1h – 1150°C RF : 10°C/min