Thèse Année : 2007

Development and caracterization of turbine blade coating modelling of service lifetime

Influence du cyclage thermique sur les comportements en oxydation-corrosion et en fluage de systèmes MCrAlY-superalliage à base de nickel

Résumé

Turbines blades are subjected to complex thermal and mechanical cycles. The influence of thermal cycling on the oxidation, corrosion and creep behaviours of coating/surperalloy systems is studied. Cyclic themogravimetry is used for quantifying the isothermal oxidation kinectics and spalling behaviour of the systems. The NiCoCrAIYTa coating greatly improves the cyclic oxidation resistance. Isothermal oxidation testing and corrosion burner-rig tests are used to assess the environmental behaviour or MCrAIY coatings on nickel-base superalloys. The evolving microstructural features and the influence of the AI reservoir on the lifetime of the coated MC2 superalloy are identified. In oxidation conditions, the coating thickness increases the coating lifetime, controlled by aluminium loss by oxidation and diffusion. In more complex conditions, where corrosion, oxidation and interdiffusion interact, the coating end-of-life may be reached before the transformation into a y single phase. The NiCoCrAIYTa microstructure obtained after the burner-rig test has typical features of a Type I hot corrosion degradation, and the addition of platinium to the MCrAIY coating enhance the oxidation and corrosion resistance. Isothermal and thermal and thermal cycling creep behaviors have been studied by means of tensile tests at 1150°C and 80MPa. We demonstrate that thermal cycling creep rates are faster istothermal creep rates and that lifetimes at high temperatures are shorter for creep tests under thermal cycling conditions. Futhermore, t is shown that thermal cycling creep lifetime increases as the thermal cycle frequency decreases. The repetition of thermal cycles degrade the microstructure of the superalloy.
Les pales de turbine Haute Pression (HP) sont soumises à des sollicitations cycliques, thermiques et mécaniques complèxes. L'objectif de ce travail est de caractériser l'influence du cyclage thermique sur les comportements des systèmes revêtements MCrAIY/superalliage à base de nickel, en surface et à coeur, et d'étudier la complexité des intéractions entre le substrat et le revêtement. Nos efforts ont été concentrés sur l'étude couplée de dégradations environnementales (oxydation, corrosion) et mécaniques (fluage) à haute température, qui sont représentatives de l'application pale de turbine. Les essais d'analyse thermogravimétrique cycliques menés à 1150°C ont permis de mettre en évidence et de quantifier l'écaillage important des couches d'oxydes sur le MC2 lors du refroidissement, et le faible écaillage des couches sur les matériaux revêtus pour les durées considérées (30h à 1150°C). Les résultats des essais d'oxydation et corrosion permettent de définir le comportement global des revêtements pour les températures et les dégradations rencontrées en service. Ces essais ont permis d'évaluer le pouvoir protecteur des revêtements en fonction de leur épaisseur et on mis en évidence l'importance de la notion de réservoir en aluminium et en chrome. Des diagrammes d'occurence de phases représentatifs de l'état de dégradation de ces revêtements ont été construits. La modification de la composition du revêtement NiCoCrAIYTa par un ajout de platine en surface a amélioré la résistance des révêtements aux phénomènes d'oxydation cyclique et de corrosion. La mise en place d'essais de fuage novateurs, caractérisés par le cyclage thermique des échantillons sous chargement constant à 1150°C/80MPa, a révélé la grande influence de ce cyclage sur la vitesse de déformation et sur la durée de vie en température des matériaux. Les différents paramètres qui caractérisent le cycle thermique (durée du palier en température, vitesses de chauffage et de refroidissement) ont un effet significatif sur la durée de vie à rupture. La répétition des cycles thermiques accélère l'endommagement de la structure à coeur.
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Citer

Aymeric Raffaitin. Development and caracterization of turbine blade coating modelling of service lifetime. Material chemistry. Institut National Polytechnique (Toulouse), 2007. English. ⟨NNT : 2007INPT044A⟩. ⟨tel-04600578⟩
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