Les systèmes barrière thermique sont utilisés en production depuis plus d'une quinzaine d'années pour protéger les aubes des turbines aéronautiques. Ce sont des systèmes multicouches composés d'une couche de céramique isolante déposée à la surface du superalliage constitutif de l'aube préalablement recouvert d'une couche de liaison qui assure la protection contre l'oxydation. La ruine de ces systèmes survient par écaillage de la couche de céramique. Ce phénomène complexe repose sur des mécanismes qui ne sont pas encore complètement connus ni maîtrisés.<br />Cette étude se propose de contribuer à l'amélioration de la compréhension de ces mécanismes de dégradations qui affectent l'adhérence des systèmes barrière thermique en service. A cette fin, une approche originale a été développée, avec la conception et la mise en œuvre d'un essai permettant d'évaluer quantitativement l'adhérence de systèmes barrière thermique et de suivre son évolution en oxydation cyclique à haute température. Les résultats des essais menés sur les systèmes étudiés sont discutés en fonction des évolutions microstructurales observées. Cette mise en relation permet d'identifier les dégradations critiques en terme d'adhérence.<br />Finalement, une approche énergétique de l'écaillage des systèmes barrière thermique est proposée. De cette approche découle la définition d'un critère d'écaillage qui donne une estimation de leur durée de vie. La validité et la pertinence de ce critère sont discutées dans le cas particulier des systèmes étudiés.

Les barrières thermiques sont destinées à protéger les aubes de turbine du moteur SNECMA-M88. Une sous-couche antioxydante (NiAl-Pt) lie le substrat à une couche de céramique (ZrO2-7% Y2O3 EBPVD).<br>La rhéologie de NiAl-Pt a été étudiée dans les domaines fragile et viscoplastique et un critère de fissuration en fatigue a été établi et appliqué à la fatigue thermique.<br>L'étude de la barrière thermique complète s'intéresse à sa résistance interfaciale après une préoxydation à 1100°C, à sa tenue en fatigue oligocyclique isotherme à 1100°C et en fatigue anisotherme entre 100°C et 1100°C. Une préoxydation à 1100°C d'éprouvettes adaptées, suivie d'une traction monotone à température ambiante, induisent un délaminage cohésif à l'interface sous-couche/alumine, qui est affecté par une cavitation. L'écaillage des deux oxydes (alumine et zircone) peut ensuire survenir. Le délaminage est aussi étudié localement par des essais d'indentation interfaciale. La fatigue oligocyclique isotherme à 1100°C, conduites avec différents types de chargement, montrent une fissuration transverse de la sous-couche. Le délaminage qui affecte parfois l'interface alumine/sous-couche est lié à la cavitation. La sollicitation anisotherme produit une multifissuration au début de l'essai et une cavitation incluse dans l'alumine. Il en résulte un délaminage adhésif localisé près de l'interface alumine/zircone.<br>L'état de contrainte d'origines thermique, mécanique et résultant de la croissance de l'alumine, ainsi que les distributions d'épaisseurs d'alumine et de tailles de cavités interfaciales ont été quantifiées. Ces deux derniers paramètres ont été corrélés à la courbure du substrat en conditions isothermes. Une modélisation donne une estimation de l'énergie de rupture interfaciale. En conditions anisothermes, la cinétique d'oxydation ne peut plus être relié à la seule courbure du substrat. Un modèle basé sur des réinitialisations de la cinétique isotherme décrit bien l'expérience.

Les aubes de turbine aéronautique fonctionnent dans des conditions extrêmes, car exposées en sortie de chambre de combustion à des gaz oxydants à très haute température. Elles sont constituées d'un superalliage à base de nickel, protégé soit par un revêtement simple aluminoformeur, soit par un système barrière thermique, le superalliage étant alors revêtu d'une couche de liaison aluminoformeuse et d'une couche isolante en zircone yttriée. En service, une couche d'alumine protectrice se développe en surface des aluminiures de nickel. L'utilisation actuelle d'un NiAl modifié au platine améliore l'adhérence de l'oxyde développé thermiquement sur le métal, mais son élaboration est coûteuse. Les éléments réactifs (dont Zr) sont connus pour améliorer l'adhérence de l'alumine sur les aluminiures de nickel, mais leurs mécanismes d'action dans le cas de revêtements restent à déterminer. Cette étude a été principalement menée sur des revêtements simples NiAl et NiAl(Zr). Nous avons constaté que le zirconium est très mobile dans l'ensemble du système, qu'il retarde le vieillissement du revêtement à 1100°C et évite la présence de cavités à l'interface métal / oxyde. Les travaux entrepris pour comprendre le rôle du zirconium sur la résistance en cyclage thermique ont révélé que ce dopant agit principalement aux premiers stades d'oxydation, en anticipant la formation d'alumine stable alpha. Cette influence du zirconium sur les temps courts d'oxydation permet de doubler la durée de vie du système en oxydation cyclique à 1100°C. Des éléments de comparaison de systèmes barrière thermique complets, comprenant une couche de liaison dopée ou non au zirconium, sont également proposés.

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 / 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