Thèse Année : 2024

Study of the interface behaviour of an environmental barrier coating on a ceramic matrix composite

Étude du comportement d'interface d'une barrière environnementale sur composite à matrice céramique

Pierre Bertrand
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1488151
  • IdRef : 282507108

Résumé

One of the challenges in aeronautics is to reduce the environmental impact of airplanes. This objective is pursued through the development of alternative solutions to metallic materials such as ceramic matrix composites. For the intended applications, the components are exposed to extremely severe thermomechanical and physicochemical environments (oxidation/corrosion), which can lead to material degradation and limit their lifespan. To protect the ceramic matrix composite (CMC), the components are coated with environmental barrier coatings (EBC) that mitigate the corrosion of the CMC. Understanding the damage mechanisms of EBC on CMC is therefore crucial for the development of carbide-based CMC components.In this context, this thesis focused on the behavior at the interfaces of the different constituents of the system to analyze the adhesion of the coating on the CMC. The aim is, on the one hand, to propose and implement tests at ambient and high temperatures to quantify the initiation and propagation of delamination at the interfaces and to characterize the associated properties, such as the adhesion energy of the coating on the CMC, using various experimental crack-tracking methods based on optical techniques. On the other hand, the goal is to establish a close interaction between the tests and the associated modeling. For this purpose, four-point bending tests were conducted at room temperature and at 1000°C to propagate stable cracks at the interface of the system. Kinematic field measurements through image correlation were used to inform finite element simulations in order to track crack propagation and extract interfacial adhesion energy at the macroscopic scale. These tests and their analysis were used to characterize the propagation phase at both temperatures and to compare the adhesion of pristine systems with systems that had been previously aged in an oxidizing environment. In a second phase, laser bench tests with the presence of thermal gradients within the system allowed for the characterization of the initiation phase. Scanning electron microscope observations, along with the use of thermal cameras and acoustic emission sensors, complemented the experimental database.
Un des enjeux de l'aéronautique est de réduire l'impact environnemental des avions. Cet objectif se traduit par le développement de solutions alternatives aux matériaux métalliques comme les composites à matrice céramique. Pour les applications visées, les pièces sont soumises à des environnements thermomécaniques et physico-chimiques (oxydation/corrosion) très sévères pouvant mener à la dégradation du matériau et à une limitation de sa durée de vie. Pour protéger le composite à matrice céramique (CMC), les pièces sont revêtues de barrières environnementales (EBC) qui limitent la corrosion du CMC. La compréhension des mécanismes d'endommagement des EBC sur CMC est donc cruciale pour le développement des pièces en CMC à base carbure.Dans ce contexte, cette thèse s'est focalisée sur le comportement aux interfaces des différents constituants du système pour analyser la tenue du revêtement sur CMC. Il s'agit ainsi, d'une part, de proposer et de mettre en place des essais à l'ambiante et à haute température pour quantifier l'amorçage et la propagation de décohésions aux interfaces et de caractériser les propriétés associées, telles que l'énergie d'adhérence du revêtement sur le CMC, en utilisant différentes méthodes expérimentales de suivi de fissuration par méthodes optiques. D'autre part, le but est de proposer un dialogue étroit entre les essais et les modélisations associées. Pour cela des essais de flexion 4 points ont été menés à température ambiante et à 1000°C afin de faire propager des fissures stables à l'interface du système. Des mesures de champs cinématiques par corrélation d'images ont permis d'alimenter des simulations éléments finis afin de suivre la propagation des fissures et d'extraire une énergie d'adhérence interfaciale à l'échelle macroscopique. Ces essais et leur exploitation ont servi à caractériser la phase de propagation pour les deux températures et de comparer l'adhérence de systèmes sains et de systèmes préalablement vieillis sous environnement oxydant. Dans un deuxième temps, des essais au banc laser avec la présence de gradients thermiques au sein du système ont permis de caractériser la phase d'amorçage. Des observations au microscope électronique à balayage, l'utilisation de caméras thermiques et de capteurs d'émission acoustique sont venus compléter la base de données expérimentales.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04880443 , version 1 (10-01-2025)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04880443 , version 1

Citer

Pierre Bertrand. Étude du comportement d'interface d'une barrière environnementale sur composite à matrice céramique. Matériaux. Université Paris-Saclay, 2024. Français. ⟨NNT : 2024UPAST125⟩. ⟨tel-04880443⟩
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