Cette étude porte sur la modélisation de la durée de vie à l'écaillage des barrières thermiques pour aubes de turbines aéronautiques. La caractérisation expérimentale de l'adhérence du revêtement combine l'identification de la durée de vie - qualifiée par l'écaillage macroscopique de la céramique - à une caractérisation de l'endommagement à l'échelle de la microstructure du revêtement et en particulier à la dégradation des interfaces céramique / oxyde / métal. Des essais de compression uniaxiale sur des éprouvettes en AM1 revêtues NiAlPt et YSZ par EB-PVD, vieillies en fatigue thermique et mécano-thermique permettent d'estimer l'adhérence du revêtement. Ces essais sont complétés par des essais de propagation du délaminage interfacial par compression. Un essai original de compression in situ en laminographie aux rayons X a également permis d'analyser l'écaillage et la propagation du front de délaminage. Tous ces essais sont instrumentés et équipés de moyens d'observation permettant de réaliser des mesures de surfaces délaminées ou écaillées et de déterminer leur évolution en fonction des déformations locales mesurées.Une analyse microstructurale complète l'étude afin de comprendre l'influence du vieillissement thermique ou mécano-thermique sur l'évolution de l'endommagement du système. Cette analyse porte sur les mécanismes d'oxydation, de diffusion, de changement de phase principalement dans l'oxyde et la sous-couche. Elle est complétée par l'étude de l'ondulation de surface au cours du cyclage thermique, phénomène de « rumpling », et de ses conséquences, notamment au niveau de l'endommagement global de l'interface et de son adhérence. Le lien entre endommagement de l'interface à l'échelle d'imperfections de rugosité (quelques microns) et de la propagation d'une fissure d'interface (quelques dizaines à quelques centaines de microns) est analysé numériquement par la méthode des zones cohésives.Ces deux études complémentaires ont permis d'établir un modèle phénoménologique de durée de vie à l'écaillage. Celui-ci se base sur une estimation de l'énergie contenue dans la couche de céramique comparée à la valeur théorique d'énergie critique à rupture obtenue par un modèle d'endommagement, fonction de l'oxydation et des paramètres de chargement mécano-thermique. Ce modèle est implémenté en post-processeur d'un calcul par éléments finis facilitant son utilisation industrielle. / This study aims to model lifetime of thermal barrier coating (TBC) used on aircraft turbine blades. Experimental characterization of the coating adherence combines the lifetime identification – described by macroscopic spallation of the ceramic – with damage estimation trough the analysis of the influence of the microstructure of the coating and evolutions of interfaces ceramic / oxide / metal.Adherence of the ceramic is assessed using uniaxial mechanical compressive tests on AM1 specimen coated with NiAlPt bond coat and EB-PVD yttria stabilized zirconia varying the thermal and thermo-mechanical fatigue ageing conditions. Those tests are completed with analysis of interfacial crack propagation. A pioneering in situ compressive test using X-ray laminography has also been developed to analyze spallation and further delamination. The use of in-situ surface imaging by CCD cameras has enabled measurement of delaminated or spalled areas as function of measured local strain.The influence of thermal or thermo mechanical ageing on damage evolution of TBCs is studied through a microstructural analysis. Oxidation, diffusion and phase transformation mechanisms in the alumina and the bond coat are main parts of this analysis. Moreover the oxide rumpling and its consequences have been detailed, particularly through the measurement of global interfacial damage and adherence evolution. The link between interfacial damage at the scale of local defects (few microns) and the propagation of an interfacial crack (from tens to hundreds of microns) is numerically analyzed with a cohesive zone model.Those two spatial length of analysis were used to build a phenomenological lifetime model to spallation. This model was based on the assessment of the elastic strain energy stored in the ceramic layer and it comparison to fracture energy. A damage model is used to model the fracture strain energy evolution as a function of oxidation and thermo mechanical loading. This model is implemented in post processor of a FEM analysis, making its industrial use easier.

L'objectif de cette étude est de déterminer la tenue du composite SCS-6/Ti6242, alliage de titane avec un renfort unidirectionnel de fibres SiC, pour des applications à température moyenne notamment pour des pièces critiques de moteurs aéronautiques, sous sollicitations thermiques et mécaniques combinées. Les conditions de chargement en service sont simulées en laboratoire par des essais de fatigue mécano-thermique, réalisés dans la plage de températures 100°C - 450°C, en contrainte imposée, sous un rapport de charge nul. Les observations des faciès de rupture réalisées par microscopie optique et électronique à balayage ont montré l'existence de deux mécanismes d'endommagement : la rupture des fibres comme en rupture monotone et la fissuration de la matrice par fatigue. Une analyse par éléments finis a été mise en place pour étudier le comportement mécanique du composite, à partir d'une méthode d'homogénéisation et du comportement de ses constituants. Les calculs montrent l'importance de la redistribution des contraintes entre les fibres et la matrice. Les résultats sont utilisés pour expliquer les mécanismes d'endommagement observés et les conséquences sur la prévision des durées de vie en fatigue anisotherme. La croissance de fissures longues en conditions anisotherme et isotherme a fait l'objet d'une étude expérimentale. Une analyse de mécanique de la rupture recourant à une méthode de zone cohésive a permis de rationaliser les vitesses fissuration observées.

Les composites unidirectionnels SiC/Ti sont des candidats potentiels au développement de nouveaux moteurs aéronautiques, ils allient à la fois résistance spécifique élevée, stabilité dimensionnelle et rigidité. Le matériau étudié ici est un alliage Ti 6242 renforcé par des fibres en carbure de silicium SM 1140+.<br />Des essais de fatigue mécano-thermique ont été menés sur le composite suivant des cycles simulant le chargement supporté au cours d'un vol. Une réduction importante de la durée de vie du composite par rapport à une sollicitation isotherme a été mise en évidence. Des modèles de prévision de la durée de vie en fatigue du composite ont été mis en place à l'aide de simulations aux éléments finis.<br />Des essais de propagation de fissure par fatigue ont été conduits sur le composite SM 1140+/Ti 6242. Les résultats ont mis en évidence un régime stabilisé : la vitesse de fissuration est constante et indépendante de la taille de la fissure. Ce résultat est associé à des conditions particulières de propagation. En effet, des observations ont montré que pour l'ensemble des essais, la fissure a contourné les fibres sans les rompre : on est donc en régime de pontage de la fissure par les fibres. Des observations ont d'autre part révélé une consommation de l'interphase en carbone des fibres présentes dans le chemin de fissuration.<br />Un modèle a été mis en place pour prédire les vitesses de fissuration stabilisées mesurées expérimentalement sur le composite SM 1140+/Ti 6242. Cette modélisation est basée sur des résultats d'essais de fissuration obtenus sur la matrice seule et sur des simulations aux éléments finis d'éprouvettes entaillées. Les résultats obtenus permettent d'avoir accès aux cinétiques de propagation dans le composite en régime de pontage.

Les canalisations coudées des circuits de refroidissement des centrales thermiques sont soumises à des fluctuations thermiques de faible amplitude et de fréquence variable. Ces fluctuations associées aux variations de température des fluides présentent un risque de fissuration et de fuites. Afin de prévenir de tels risques, EDF a lancé le programme CRECO RNE 808, « Fatigue thermique des aciers inoxydables austénitiques 304L » pour étudier expérimentalement sur élément de volume, lamorçage et le début de propagation des fissures en fatigue thermique dans les aciers inoxydables austénitiques. Lobjectif est de comparer le comportement et lendommagement du matériau en fatigue mécano-thermique (cyclage en température + cyclage en déformation) et en fatigue isotherme et est orienté sur le problème RRA, dans lequel les conditions extrêmes ont été déterminées par EDF pour le métal Tmax = 165°C et Tmin = 90°C et où la fréquence des fluctuations thermiques peut atteindre un Hertz. Une sollicitation thermomécanique sur élément de volume est nécessaire en effet pour simuler la fatigue thermique des zones critiques dune structure. Des essais de fatigue isotherme, aux deux températures extrêmes du cycle thermique, ont montré un comportement similaire du matériau et un effet du module sur la réponse mécanique du matériau. On na pas constaté de réelle différence de durée de vie entre les deux températures étudiées pour des amplitudes de déformation mécanique supérieures à 0,18% alors que pour des faibles amplitudes de déformations la durée de vie du matériau diminue quand la température augmente. Des essais de fatigue mécano-thermique réalisés sur des éprouvettes prélevées dans une bride de barrière thermique et dautres sur une tôle ne montrent pas de différence que ce soit de point de vue comportement ou durée de vie pour des amplitudes de déformations mécaniques supérieures à 0,18%. Dans le but détudier leffet de la contrainte moyenne, induite par pré-écrouissage cyclique, sur la durée de vie du matériau, des essais ont été réalisés sur des éprouvettes pré-écrouies cycliquement à lambiante à ±1%. Une première comparaison des deux essais réalisés sur matériau pré-écroui ne montre pas de différence entre le chargement mécano-thermique et isotherme à 165°C que ce soit en terme de comportement ou de durée de vie. Un effet de la contrainte moyenne (préécrouissage monotone à lambiante) a été mis en évidence en fatigue isotherme à 165°C, avec une réduction importante de la durée de vie sur le digramme Dep/2 = f(Nf). Sous sollicitations mécano-thermiques, la durée de vie sur matériau pré-écroui est plus importante que dans des conditions isothermes à 165°C. Une étude du comportement en relaxation du matériau entre 50 et 250°C a montré la présence de deux stades de relaxation : un premier stade pendant lequel le matériau se relaxe rapidement avec une viscosité indépendante de la température et de la déformation plastique cumulée, et un deuxième stade pendant lequel la contrainte macroscopique varie peu dans le temps. Létude a montré que la capacité de relaxation du matériau diminue quand la température augmente de 50 à 250°C : le matériau présente donc une anomalie de comportement marquée dans ce domaine de températures. Un pré-écrouissage cyclique à lambiante à ±1% diminue le taux de relaxation du matériau à 50°C et fait apparaître une troisième stade de relaxation du matériau avec une viscosité plus importante. Un pré-écrouissage monotone à lambiante jusquà une contrainte maximale de 500MPa, réduit encore plus le taux de relaxation du matériau à 50 quà 250°C. Les essais de fatigue mécano-thermique à grand nombre de cycles (106 cycles et au delà) conduisent à des durées dessais pouvant dépasser un an. Afin dexplorer, néanmoins, leffet de lamplitude de déformation dans ce domaine de durée de vie, et compte tenu du fait que sur site les premiers stades damorçage se produisent dans des zones superficielles perturbées, nous avons réalisé des essais de propagation de fissures courtes à partir dune entaille (longueur 2a = 0.5mm) en plasticité généralisée en contrôle de déformation mécanique, comme sur élément de volume. Un modèle de durée de vie est introduit au dernier chapitre. Le calcul est basé sur les résultats des essais de fissuration en plasticité généralisée décrite dans le chapitre 6. En premier lieu un modèle de comportement cyclique est identifié aux deux températures 90 et 165°C.<br /> La deuxième partie sintéresse au calcul de durées de vie. À travers une représentation énergétique des résultats, nous avons discuté la validité du modèle de durée de vie en nous basant sur une analyse assez simplifiée. Deux approches sont présentées, avec pour chaque cas une comparaison des durées de vie expérimentales aux durées de vie obtenus expérimentalement en fatigue isotherme à 90 et 165°C et en fatigue mécano-thermique. Le modèle de durée de vie retenu a été validé en fatigue isotherme à 90 et 165°C ainsi quen fatigue mécano-thermique.