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Blanc - SIMI 9 - Sciences de l'Ingénierie, Matériaux, Procédés, Energie (Blanc SIMI 9)
Edition 2012


ARCOLE


Etude de l’Adhérence des Revêtements par ChOcs-Laser de durées modulablEs

Etude de l’Adhérence des Revêtements par ChOcs-Laser de durées modulablEs (ARCOLE)
Utilisation de chocs laser consécutifs décalés dans le temps pour tester l'adhérence des barrières thermiques (BT) aéronautiques: caractérisation du chargement en pression induit par deux impulsions, et analyse de l'adhérence de BT sur des substrats monocristallins fonctionnalisés.

Valider et comprendre l'interaction laser-matière à deux impulsions, et appliquer cette nouvelle configuration à la caractérisation de l'adhérence des barrières thermiques.
Le projet ARCOLE est sous-tendu par les objectifs suivants
(1) la caractérisation de l'interaction laser-matière en régime de confinement par eau avec deux impulsions laser décalées dans le temps;
(2) l'application de cette configuration originale et innovante, permettant à priori de localiser le chargement en pression-contrainte au niveau de n'importe quelle interface, grâce au croisement d'ondes de détente, au cas, des systèmes aéronautiques barrières thermiques (BT)- substrat base Nickel monocristallins.
(3) tester l'influence d'une fonctionnalisation de surface (texturation laser ...) sur l'adhérence des dépôts BT projetés, et comparer les résultats avec des techniques de caractérisation classiques (traction-adhérence)
(4) Etudier le vieillissement thermo-mécanique des systèmes BT/ substrat, et identifier/ comprendre l'influence l'influence du vieillissement sur les propriétés d'adhérence.
Différentes approches (expérimentale, numérique) et différents domaines thématiques (physique de l'interaction laser-matière, détonique, projection thermique, propriétés des interfaces ...) sont donc nécessaires pour répondre à ces objectifs.

mesure des pressions de choc, mise en oeuvre des texturations et des dépôts projetés, premières caractérisation de l'adhérence de bi-matériaux.
Le projet ARCOLE met en œuvre différentes méthodes/techniques pour répondre aux objectifs du projet.
Pour la partie expérimentale:
- Génération de chocs par laser impulsionnel (10 ns – 14 J maximum) avec double impulsion
- Mesure de vitesses de surface libre – pressions de choc par vélocimétrie Doppler VISAR pour détermination des chargements en pression et des seuils de décohésion
- Analyse par ombroscopie et photodiode des plasmas confinés pour comprendre les mécanismes d'absorption en double-impulsion
- Mise en œuvre - optimisation de texturations par laser ns des substrats avant projection thermique
- Réalisation de dépôts par projection thermique
- Caractérisations microstructurales (microscopie optique, MEB …),
- Essais mécaniques (test de traction adhérence)
- Réalisation de cyclages thermiques ou thermo-mécaniques (Banc Maatre)
Pour la partie numérique:
- Simulation de l'interaction laser-matière en régime confiné (code ESTHER)
- Simulation de la propagation des chocs-laser (codes ESTHER et HUGO – 1D, ABAQUS – 2D/3D)
- Simulation de la texturation laser (code FLUENT) des substrats avant projection

Résultats

Les différentes résultats suivants ont été obtenus
(1) Caractérisation par VISAR du chargement en pression (tracé de la courbe P0 (GPa) =f ((GW/cm²)) en mono-impulsion ou double impulsion. En mono-impulsion, les résultats confirment la tendance globale de la courbe de pression à lambda=0.532 µm, avec des pressions maximales de 6 GPa obtenues autour de 7-8 GW/cm² (˜ seuil de claquage), et une évolution de type P0 = 2 (Flux)0.5. Les essais réalisés en double choc frontal sur cible d'aluminium montrent une évolution de l'amplitude de la seconde impulsion de pression-vitesse lorsque le décalage temporel Dt augmente.
(2) Caractérisation (VISAR) du comportement sous-choc de substrats monocristallins AM1 ayant des orientations cristallines différentes : mise en évidence de l'effet de l'orientation cristallographique sur la vitesse du son (+/- 20 % d'écart)
(3) Caractérisation en impact frontal de l'adhérence de dépôts projetés Ni-Al/Al 2017, avec et sans texturation préalable des substrats. Les essais effectués en configuration de mono ou double choc frontal sur deux épaisseurs de dépôts Ni-Al ont permis de mettre en évidence l'effet bénéfique d'un traitement de texturation laser optimisé du substrat Aluminium, sur le seuil d'adhérence.
(4) Mise en service de l’analyseur thermogravimétrique (ATG) spécifiquement acquis pour le projet et l’étude du vieillissement thermique du système superalliage/BT étudié.
(5) Optimisation de la texturation laser sur la morphologie des trous induits sur des substrats de Al2017, Inox 316L, AM1 (relations paramètres laser – morphologie dimensionnelle des trous).
(6) Etude des mécanismes d’accroche des revêtements de NiAl sur substrats d’aluminium suivant la géométrie de surface : un ratio surfacique à l’interface substrat-dépôt semble promouvoir la tenue du revêtement.

Perspectives

Les prochains travaux envisagés viseront à: mieux caractériser le comportement sous choc des substrats AM1 (cibles plus épaisses), à caractériser l'adhérence de dépôts de zircone sur acier inoxydable texturés laser par des sollicitations à double impulsion frontale, à tester les sollicitations par chargement symétrique (2 chocs décalés de Dt appliqués sur les deux faces opposées), à mesurer les modules d’élasticité des revêtements étudiés, à réaliser des vieillissements isothermes et cyclés thermiquement d’échantillons revêtus de BT avec ou sans texturation de surface, à réaliser de premiers essais thermomécaniques sur le système superalliage/BT étudié en présence d’une texturation, à commencer à caractériser les interfaces BT/substrat AM1 …

Productions scientifiques et brevets

Conferences Internationales
1. D. Courapied et al., ICALEO'2014 (San Diego, 19-23 Oct 2014 USA)
2. L. Berthe et al., ICALEO'2014 (San Diego, 19-23 Oct 2014 USA)
3. R. Kromer et al., ITSC 2015 (Long Beach mai 2015, USA)

Conferences Nationales
1. D. Courapied et al., Matériaux 2014 , (24-28 Nov 2014, Montpellier, Fr)
2. R. Kromer et al. Ingédoc 2014, journée des doctorants de l’UTBM


Partenaires

IRTES / LERMPS Institut de Recherche sur les Transports, l'Energie et la Société /Laboratoire d'Etudes et de Rechecrhe sur les Matériaux, les Procédés et les Surfaces

PPRIME Institut PPRIME

PIMM Laboratoire PIMM

Aide de l'ANR 409 999 euros
Début et durée du projet scientifique mars 2013 - 48 mois

Résumé de soumission

L’utilisation des ondes de choc induites par laser pour la caractérisation des interfaces dépôt-substrat (LASAT) a été développée en France il y a quelques années. Le principe physique est basé sur la formation d’un chargement mécanique local intense au cœur des matériaux soumis à des chocs-laser par croisement d’ondes de détente incidentes et réfléchies. La localisation de ce chargement en traction est directement liée à la durée de l’impulsion de pression incidente : plus la durée d’impulsion est longue, plus on pourra localiser le chargement dans le volume d’un matériau épais. A contrario, des impulsions courtes permettent de localiser les zones sollicitées près des surfaces libres.
Cette nouvelle technique de caractérisation permet d’accéder à des seuils d’endommagement quantitatifs, et locaux par une double approche expérimentale (vélocimétrie VISAR) et numérique. Cependant, les durées d‘impulsions non modulables des sources laser utilisées actuellement réservent l’utilisation de la technique à des épaisseurs de revêtements limitées. Le projet ARCOLE, construit autour de 3 partenaires principaux : le PIMM (UMR 8006 CNRS – Arts et Métiers Paris-Tech), le LERMPS (EA3316 – UTBM) et l’institut PPRIME (UPR 3346 CNRS), a pour objectif principal l’utilisation des chocs laser de durées variables pour tester les conditions d’endommagement dynamique des interfaces dépôt-substrat dans le cadre des dépôts projetés. La mise en œuvre des tests d’endommagement des interfaces sera traitée par une double approche expérimentale et numérique, indispensable à la compréhension fine des processus physiques. Quatre volets seront traités : (1) La caractérisation de l’interaction laser-matière et des conditions de chargement dynamiques P=f(t) induites en régime de choc confiné sur une large gamme de durées d’impulsions, jamais étudiée auparavant (5 ns – 100 ns), (2) L’étude expérimentale (vélocimétrie) et numérique (AbaqusTM, Shylac) de la propagation des chocs-laser dans des matériaux hétérogènes (ex : substrat Al/ revêtement NiAl projeté par plasma), et la validation de la possibilité d’adapter la durée d’impulsion à l’épaisseur du dépôt à tester, (3) L’application du choc-laser au test d’adhérence de barrières thermiques multi-épaisseurs. En considérant une barrière thermique classique de type ZrO2-Y2O3 et la sous-couche associée, sur différentes épaisseurs (100 µm à 800 µm), on étudiera le caractère discriminant du test pour différentes préparations de surface conduisant à la même épaisseur mais à des adhérences différentes. A épaisseur de dépôt équivalente, l’objectif sera d’aboutir à une identification des paramètres d’interfaces (physico-chimiques, morphologiques, mécaniques), conduisant aux meilleures propriétés d’adhérence. Une comparaison avec les méthodes de caractérisations d’adhérence conventionnelles sera également réalisée, (4) L’utilisation de la technique de décohésion par ondes de choc-laser pour caractériser l’impact d’un vieillissement thermique ou thermomécanique des systèmes barrières thermiques, c’est-à-dire l’évolution des propriétés d’adhérence sous l’effet des phénomènes d’oxydation durant le cycle de vie, mais aussi les phénomènes de frittage de la barrière thermique ou de changements de phase de la sous-couche.
Le projet sollicite le financement de deux thèses dont une sur l’analyse de l’interaction laser-matière (PIMM), et une sur l’influence des prétraitements des substrats (sablage, ablation, texturation laser), et du vieillissement thermomécanique des dépôts (LERMPS, PPRIME). Ce projet, modifié par rapport aux remarques formulées lors de sa dernière évaluation (2011, projet CLASSE), vient en soutien d’une nouvelle plateforme choc-laser financée via le projet Sésame Hephaistos labellisé en 2011 (région Ile de France, soutien CNRS). Plus généralement, il renforcera l’activité « Utilisation des chocs induits par laser », pour laquelle la communauté scientifique française est largement reconnue dans le monde.

 

Programme ANR : Blanc - SIMI 9 - Sciences de l'Ingénierie, Matériaux, Procédés, Energie (Blanc SIMI 9) 2012

Référence projet : ANR-12-BS09-0009

Coordinateur du projet :
Monsieur Patrice PEYRE (Laboratoire PIMM)
patrice.peyre@nullparis.ensam.fr

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.