Mécanique

ISMME - Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique

GUIPONT Vincent

MAUREL Vincent

Centre des Matériaux

30/04/2024

LASDAM, LASAT, TMF, évolution de microstructure, oxydation

LASDAM, LASAT, TMF, microstructure evolution, oxidation

Pour augmenter les températures de combustion, améliorer le rendement des moteurs aéronautiques, les systèmes actuels utilisés pour les aubes haute pression sont en limite d'utilisation. C'est pourquoi des systèmes barrières thermiques (BT) de nouvelle génération, incluant de nouveaux matériaux de substrat, de couche métallique et céramique, sont développés par SAFRAN.
Des méthodes de suivi in situ de défauts d'interface créés par choc LASER ont permis pour des systèmes BT standard de faire un lien explicite entre évolution de microstructure, état mécanique et endommagement [Guipont, 2019]. L'emploi de nouvelles BT implique de reprendre cette analyse, en utilisant une méthode proche mais où les évolutions de microstructure et leur lien avec l'endommagement reste à découvrir. L'objectif de cette thèse est de proposer une caractérisation et une modélisation de la durée de vie à l'écaillage de ces nouveaux systèmes BT en s'appuyant sur les méthodes « LAser Shock for DAMage monitoring » (LASDAM) et « LAser Shock Adhesion Test (LASAT) [Mahfouz, 2022].

La thèse se déroulera en trois principales étapes s'enrichissant mutuellement :
- une caractérisation expérimentale de la tenue des BTs notamment sur la base de l'essai LASDAM combiné au LASAT
- une modélisation du comportement du système multicouche s'appuyant sur les observations expérimentales tenant compte de l'évolution de microstructure
- une modélisation macroscopique de la durée de vie à l'écaillage de la BT héritée des travaux antérieurs et adaptée aux nouvelles BT

To raise combustion temperatures and improve aero-engine efficiency, the current systems used for high-pressure blades are reaching the end of their useful life. That's why SAFRAN is developing new-generation thermal barrier (BT) systems, including new substrate materials, metal layers and ceramics.
In situ monitoring methods of interface defects created by LASER shock have made it possible for standard BT systems to make an explicit link between microstructure evolution, mechanical state and damage [Guipont, 2019]. The use of new BTs implies repeating this analysis, using a similar method but where microstructure evolutions and their link with damage remain to be discovered. The aim of this thesis is to propose a characterization and modeling of the scaling life of these new BT systems based on the LAser Shock for DAMage monitoring (LASDAM) and LAser Shock Adhesion Test (LASAT) methods [Mahfouz, 2022].

The thesis will be carried out in three main mutually enriching stages:
- experimental characterization of the strength of BTs, based in particular on the LASDAM test combined with the LASAT test
- behavioral modeling of the multilayer system, based on experimental observations and taking into account the evolution of the microstructure
- macroscopic modeling of the spalling life of BTs, inherited from previous work and adapted to new BTs

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Directeur de Thèse : Vincent Guipont
Co-directeur de Thèse : Vincent Maurel
Co-encadrant : Basile Marchand

Ingénieur et/ou Master recherche - Bon niveau de culture générale et scientifique. Bon niveau de pratique du français et de l'anglais (niveau B2 ou équivalent minimum). Bonnes capacités d'analyse, de synthèse, d'innovation et de communication. Qualités d'adaptabilité et de créativité. Capacités pédagogiques. Motivation pour l'activité de recherche. Projet professionnel cohérent.

Pré-requis (compétences spécifiques pour cette thèse) :

Pour postuler : Envoyer votre dossier à recrutement_these@mat.mines-paristech.fr comportant
• un curriculum vitae détaillé
• une copie de la carte d'identité ou passeport
• une lettre de motivation/projet personnel
• des relevés de notes L3, M1, M2
• 2 lettres de recommandation
• les noms et les coordonnées d'au moins deux personnes pouvant être contactées pour recommandation
• une attestation de niveau d'anglais

Engineer and / or Master of Science - Good level of general and scientific culture. Good level of knowledge of French (B2 level in french is required) and English. (B2 level in english is required) Good analytical, synthesis, innovation and communication skills. Qualities of adaptability and creativity. Teaching skills. Motivation for research activity. Coherent professional project.

Prerequisite (specific skills for this thesis):

Applicants should supply the following :
• a detailed resume
• a copy of the identity card or passport
• a covering letter explaining the applicant's motivation for the position
• detailed exam results
• two references : the name and contact details of at least two people who could be contacted
• to provide an appreciation of the candidate
• Your notes of M1, M2
• level of English equivalent TOEIC
to be sent to recrutement_these@mat.mines-paristech.fr

Cette thèse vise à caractériser le comportement de nouvelles BTs fournies par SAFRAN. La caractérisation de la durabilité de ces BTs passe par une analyse approfondie de la durée de vie à l'écaillage où on utilisera la technique LASDAM pour des essais de cyclage thermique [Guipont, 2019]. Des essais complémentaires au banc à flammes et en conditions de fatigue thermo-mécanique seront réalisés [Mahfouz, 2022]. De ces essais, la technique LASDAM permet d'évaluer la vitesse de propagation de fissure en fonction des paramètres de chargement thermo-mécaniques. Ils seront complétés par des analyses microstructurales en coupes pour à l'aide d'observation MEB. Ainsi, on évaluera les cinétiques d'oxydation, de transformation de phase pour établir un premier scénario entre cinétique d'endommagement et évolution de microstructure.
Sur la base de l'analyse de cette relation microstructure/comportement/endommagement, une modélisation par éléments finis représentant de façon explicite l'ensemble des couches et leur évolution sera produite [Mahfouz, 2023]. Dans le temps imparti par la thèse, on testera ce modèle à l'ensemble des conditions expérimentales testées. Outre le comportement, on cherchera ainsi à caractériser la sensibilité de ces BTs aux paramètres de chargement thermomécanique en termes de sollicitations d'interface par les grandeurs usuelles de la mécanique de la rupture et/ou en utilisant des modèles intrusifs tels que zones cohésives ou champs de phase [Sapardanis, 2016; Min, 2023].

Enfin, une synthèse des briques précédentes analyse/modèle pourra être produite sous forme d'un modèle simplifié pour décrire pour des calculs 3D de pièce le lien entre sollicitation locale, évaluée dans le substrat seul, la sollicitation globale dans la BT et la durée de vie associée. Un tel modèle pourra être évalué à l'aide d'un modèle d'endommagement en s'inspirant de travaux précédents et en adaptant ces approches aux mécanismes identifiés expérimentalement [Courcier, 2011].

Courcier, Christophe, et al. 'Interfacial damage based life model for EB-PVD thermal barrier coating.' Surface and Coatings Technology 205.13-14 (2011): 3763-3773.
Guipont, Vincent, et al. 'Buckling and interface strength analyses of thermal barrier coatings combining Laser Shock Adhesion Test to thermal cycling.' Surface and Coatings Technology 378 (2019): 124938.
Mahfouz, Lara. Evolution du système barrière thermique AM1/(Ni, Pt) Al/YPSZ en conditions de fatigue thermo-mécanique. Thèse de doctorat. Université Paris sciences et lettres, 2022.
Mahfouz, Lara, et al. 'Driving forces in thermal barrier coatings blistering.' Materialia 28 (2023): 101728.
Min, Lang, et al. 'A chemo-thermo-mechanical coupled phase field framework for failure in thermal barrier coatings.' Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 411 (2023): 116044.
Sapardanis, Hélene, et al. 'Influence of macroscopic shear loading on the growth of an interfacial crack initiated from a ceramic blister processed by laser shock.' Surface and Coatings Technology 291 (2016): 430-443.

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