Typische Ausfallmechanismen von Wärmedämmschichten (TBC) und wie man sie reduziert

Du point de vue de l’analyse de défaillance et de l’ingénierie des systèmes, la défaillance d’un revêtement barrière thermique (TBC – Thermal Barrier Coating) est un processus progressif où plusieurs mécanismes de dégradation interagissent. Une conception robuste et un procédé de fabrication maîtrisé ne visent pas à empêcher la défaillance indéfiniment, mais à gérer ces mécanismes de manière prévisible afin de prolonger la durée de vie et d’éviter une spallation prématurée et catastrophique.

Modes de défaillance courants des TBC

1. Spallation causée par la croissance et l’instabilité du TGO

Il s’agit du mode de défaillance dominant pour la plupart des systèmes TBC. Une couche d’oxyde thermiquement croissante (TGO), principalement composée d’Al₂O₃, se forme à l’interface entre la couche d’accrochage et la couche supérieure. Bien qu’une TGO adhérente à croissance lente soit protectrice, sa croissance continue conduit à la défaillance.

• Mécanisme : Avec le temps et à haute température, la TGO s’épaissit et développe d’importantes contraintes de compression. Lorsque le réservoir d’aluminium de la couche d’accrochage s’épuise, des oxydes mixtes moins stables se forment, croissent plus rapidement et adhèrent moins bien. Finalement, des ondulations d’interface, des microfissures puis un flambage et une spallation à grande échelle apparaissent.

• Atténuation par conception et procédé :

  • Composition de la couche d’accrochage : Utiliser des couches d’accrochage formant de l’alumine optimisées (par ex. : Pt-aluminure ou MCrAlY de haute pureté) avec un taux suffisant d’aluminium et des ajouts d’éléments réactifs (Y, Hf) pour favoriser une TGO adhérente à croissance lente. La qualité du substrat en superalliage sous-jacent est essentielle.

  • Contrôle du procédé : Garantir une application propre et contrôlée de la couche d’accrochage par projection plasma à basse pression (LPPS) ou EB-PVD afin de minimiser les impuretés agissant comme sites d’initiation de défaillance du TGO.

2. Fatigue due aux cycles thermiques

Les transitions thermiques massives lors des démarrages et arrêts moteur génèrent des contraintes cycliques dues au décalage du coefficient de dilatation thermique (CTE) entre la couche céramique supérieure et le substrat métallique.

• Mécanisme : Les cycles répétés entraînent l’initiation et la propagation de fissures, généralement à l’interface du TGO ou dans le matériau céramique près de celle-ci, menant finalement à la spallation.

• Atténuation par conception et procédé :

  • Microstructure colonnaire : Spécifier les procédés EB-PVD pour les composants critiques tels que les aubes. La structure colonnaire fine et segmentée d’un TBC EB-PVD (par ex. utilisant de la YSZ) offre une tolérance exceptionnelle aux contraintes, permettant aux colonnes de se dilater et se contracter sans accumulation excessive de contraintes.

  • Couches à gradient fonctionnel : Dans certaines conceptions, l’intégration d’un gradient de composition entre la couche d’accrochage et la couche supérieure permet d’adoucir la transition de propriétés et de réduire les contraintes interfaciales.

3. Frittage et instabilité de phase

À des températures de fonctionnement élevées (supérieures à 1200 °C), la microstructure et la chimie du TBC évoluent.

• Mécanisme : La microstructure poreuse de la couche supérieure, essentielle à la faible conductivité thermique, commence à se densifier par frittage. Cela augmente la rigidité du revêtement (diminuant la tolérance à la déformation) et sa conductivité thermique (diminuant l’isolation). Pour la YSZ, une transformation de phase néfaste du tétragonal métastable (t’) vers la phase monoclinique peut se produire au refroidissement, accompagnée d’un changement de volume destructeur.

• Atténuation par conception et procédé :

  • Ingénierie microstructurale : Contrôler la porosité initiale et la structure des défauts de la couche supérieure via les paramètres de procédé. De nouveaux procédés à base de laser sont explorés pour créer des microstructures adaptées.

  • Matériaux alternatifs : Développer et appliquer des matériaux TBC de nouvelle génération comme la zircone au gadolinium (GZ) qui résistent mieux au frittage et aux transformations de phase à haute température que la YSZ standard.

4. Dégradation environnementale (CMAS et érosion)

Les contaminants environnementaux aspirés représentent une menace sérieuse.

• CMAS (Calcium-Magnésium-Alumino-Silicate) : Le sable et la poussière fondus infiltrent le TBC poreux, se solidifient au refroidissement et provoquent un durcissement, une perte de tolérance aux contraintes et un frittage accéléré.

• Érosion : Les particules dures éliminent mécaniquement le revêtement au fil du temps.

• Atténuation par conception et procédé :

  • Couches supérieures résistantes au CMAS : Concevoir des compositions de TBC réagissant avec le CMAS pour former des phases cristallines scellantes empêchant toute infiltration ultérieure. Les matériaux tels que la GZ sont plus résistants que la YSZ.

  • Revêtements APS denses à fissures verticales (DVC) : Pour les composants exposés à l’érosion, un TBC APS avec microstructure DVC spécifique offre une meilleure résistance à l’érosion qu’un revêtement EB-PVD standard, bien qu’au détriment d’une certaine tolérance mécanique.

  • Filtration de l’air : Pour les turbines terrestres, une filtration d’air d’admission performante est la première défense contre la contamination.

Approche d’ingénierie intégrée pour réduire les défaillances

1. Conception basée sur le système : Le TBC ne peut pas être conçu isolément. Ses performances sont intrinsèquement liées à la conception du refroidissement interne du composant. Un composant mieux refroidi expose le TBC à une température inférieure, ralentissant considérablement tous les mécanismes de dégradation.

2. Assurance qualité en fabrication : Le respect des normes aéronautiques telles que NADCAP pour les procédés de revêtement est indispensable. Cela garantit un contrôle rigoureux de la préparation de surface (grenaillage), de l’épaisseur du revêtement et de la microstructure, minimisant les défauts intrinsèques servant de points d’initiation de défaillance.

3. Modélisation prédictive et inspection : Utiliser des modèles physiques intégrant la cinétique de croissance du TGO et l’accumulation des contraintes cycliques pour prédire les temps de remplacement. Lors des révisions, des techniques avancées d’évaluation non destructive (NDE) sont employées pour évaluer l’état du TBC et déterminer si la pièce peut être remise en service ou nécessite un décapage et re-revêtement.