Proto-TGO formation in TBC systems fabricated by spark plasma sintering

Thermal barrier coatings (TBC) are commonly used in modern gas turbines for aeronautic and energy production applications. The conventional methods to fabricate such TBCs are EB-PVD or plasma spray deposition. Recently, the spark plasma sintering (SPS) technique was used to prepare new multilayered coatings. In this study, complete thermal barrier systems were fabricated on single crystal Ni-based superalloy (AM1®) substrate in a one-step SPS process. The lifetime of TBC systems is highly dependent on its ability to form during service a dense, continuous, slow-growing alumina layer (TGO) between an underlying bond coating and a ceramic top coat. In the present paper, we show that such kind of layer (called proto-TGO in the following) can be in situ formed during the SPS fabrication of TBC systems. This proto-TGO is continuous, dense and its nature has been determined using TEM-EDS-SAD and Raman spectroscopy. This amorphous oxide layer in the as-fabricated samples transforms to α-Al2O3 during thermal treatment under laboratory air at 1100 °C. Oxidation kinetics during annealing are in good agreement with the formation of a protective α-Al2O3 laye

Thermal cycling behavior of EBPVD TBC systems deposited on doped Pt-rich γ–γ′ bond coatings made by Spark Plasma Sintering (SPS)

In the last decade, an increasing interest was given to Pt-rich γ–γ′ alloys and coatings as they have shown good oxidation and corrosion properties. In our previous work, Spark Plasma Sintering (SPS) has been proved to be a fast and efficient tool to fabricate coatings on superalloys including entire thermal barrier coating systems (TBC). In the present study, this technique was used to fabricate doped Pt-rich γ–γ′ bond coatings on AM1® superalloy substrate. The doping elements were reactive elements such as Hf, Y or Zr, Si and metallic additions of Ag. These samples were then coated by electron beam physical vapour deposition (EBPVD) with an yttria partially stabilized zirconia (YPSZ) thermal barrier coating. Such TBC systems with SPS Pt rich γ–γ′ bond coatings were compared to conventional TBC system composed of a β-(Ni,Pt)Al bond coating. Thermal cycling tests were performed during 1000-1 h cycles at 1100 °C under laboratory air. Spalling areas were monitored during this oxidation test. Most of the Pt rich γ–γ′ samples exhibited a better adherence of the ceramic layer than the β-samples. After the whole cyclic oxidation test, cross sections were prepared to characterize the thickness and the composition of the oxide scales by using scanning-electron microscopy. In particular, the influence of the doping elements on the oxide scale formation, the metal/oxide roughness, the TBC adherence and the remaining Al and Pt under the oxide scale were monitored. It was shown that RE-doping did not improve the oxidation kinetics of the studied Pt rich γ–γ′ bond coatings, nevertheless most of the compositions were superior to “classic” β-(Ni,Pt)Al bond coatings in terms of ceramic top coat adherence, due to lower rumpling kinetics and better oxide scale adherence of the γ–γ′-based systems

Thermal barrier systems and multi-layered coatings fabricated by spark plasma sintering for the protection of Ni-base superalloys

Aeronautic gas turbine blades, vanes and combustion chambers are protected against high temperature oxidation and corrosion by single or multilayered coatings. These include environmental coatings, generally based on Pt-modified Ni aluminides or MCrAlY overlays (where M = Ni and/or Co), thermal barrier coating (TBC) systems including a ceramic thermally insulating layer, and abradable seals. The present work shows the ability of the Spark Plasma Sintering technique to rapidly develop new coatings compositions and microstructures. This technique allows combining powders and metallic foils on a superalloy substrate in order to obtain multilayered coatings in a single short production step. Fabrication of MCrAlY overlays with local Pt and/or Al enrichments is shown, as well as fabrication of coatings made of z-PtAl2, e-PtAl, α-AlNiPt2, martensitic and b−(Ni,Pt)Al or Pt-rich g/g’ phases, including their doping with reactive elements. The fabrication of a complete TBC system with a porous and adherent Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) layer on a bond-coating is also demonstrated, as well as the fabrication of a CoNiCrAlY-based cermet coating for abradable seal application. Difficulties of fabrication are reviewed, such as Y segregation, risks of carburization, local over-heating, or difficulty to coat complex shaped parts. Solutions are given to overcome these difficulties

Pt-modified Ni aluminides, MCrAlY-base multilayer coatings and TBC systems fabricated by Spark Plasma Sintering for the protection of Ni-base superalloys

Pt-modified Ni aluminides and MCrAlY coatings (where M=Ni and/or Co) are widely used on turbine blades and vanes for protection against oxidation and corrosion and as bond coatings in thermal barrier coating (TBC) systems. The present work shows the ability of a new fabrication technique, the Spark Plasma Sintering, to develop rapidly new coating compositions and microstructures. This technique allows combining powders and metallic foils on a superalloy substrate in order to obtain multilayered coatings in a single short experiment. Fabrication of MCrAlY overlays with local Pt and/or Al enrichment is shown, as well as fabrication of coatings made of ζ-PtAl2, ε-PtAl, α-AlNiPt2, martensitic β- (Ni,Pt)Al or Pt-rich γ/γ′ phases. The realization of a complete TBC system with a porous and adherent Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) layer on a γ/γ′ low mass bond coating is also demonstrated. Difficulties of fabrication are reviewed and discussed, such as Y segregation, risks of carburization, local overheating, or difficulty to coat complex shape parts. Finally, some first results of cyclic oxidation are given

Élaboration de revêtements γ-γ' et de systèmes barrière thermique par Spark Plasma Sintering. Tenue au cyclage thermique et propriétés d’usage

Les procédés existant pour la fabrication de sous-couches et de systèmes barrière thermique pour les aubes mobiles des turbomachines sont complexes, onéreux, et, de leur reproductibilité dépend la durée de vie de ces systèmes. Cette étude montre la faisabilité d'obtention de sous-couches γ-Ni + γ'-Ni3Al enrichies en platine et de systèmes barrière thermique complets, par l'utilisation du procédé de Spark Plasma Sintering (SPS). Les paramètres du procédé SPS (pression, durée, température et nombre de paliers) ont été ajustés afin de fabriquer les différents types de systèmes. Des améliorations ont été apportées à l'outillage, en vue notamment de mieux appréhender la température de la pièce lors du cycle thermique et, d'empêcher la formation de carbures. Les propriétés microstructurales des revêtements obtenus sont caractérisées et mises en relation avec les paramètres d'élaboration. De plus, les propriétés d'usage (cinétique d'oxydation, résistance au cyclage thermique et à la corrosion par les aluminosilicates fondus, CMAS, conductivité thermique) ont été évaluées. Un large domaine de composition de sous-couches a pu être exploré, notamment par l'addition, par pulvérisation cathodique, d'éléments réactifs (Hf, Y, Si) et d'autres éléments (Ag, Au, Cu) ayant un effet sur le domaine de stabilité de la phase γ'. La possibilité de réaliser des systèmes barrière thermique mono et bi-couches céramiques en une seule étape par le procédé SPS est également démontrée. Un mode d'endommagement spécifique des systèmes barrière thermique élaborés par SPS a été mis en évidence lors d'essais de cyclage thermique et interprété avec l'aide de simulations numériques par éléments finis. Les nombreuses compositions et architectures réalisées au cours de cette étude, sont un encouragement à poursuivre les améliorations apportées au procédé pour l'obtention de systèmes plus complexes et plus fiables

Elaboration d'un référentiel de quarantaine pour les chevaux à l'exportation vers les pays tiers

La filière équine française est reconnue pour sa production de chevaux de sport de qualité, et représente un attrait pour les acheteurs étrangers au sein et à l'extérieur de l'Union Européenne. Toutefois, la complexité des démarches administratives ainsi que le manque d'harmonisation des procédures sanitaires que subissent les équidés avant l'export constituent des obstacles au développement des exportations de chevaux de sport vers les pays tiers, au profit des principaux concurrents européens de la France. Le Ministère de l'Agriculture et de la Pêche, au travers de la Direction Générale de l'Alimentation, a donc mandaté les Haras Nationaux pour qu'une réflexion soit menée afin d'aboutir à une standardisation des procédures de quarantaine et à une clarification des démarches devant être effectuée lors de l'export d'un équidé depuis le territoire français vers les pays tiers

Élaboration de revêtements γ-γ' et de systèmes barrière thermique par Spark Plasma Sintering. Tenue au cyclage thermique et propriétés d’usage

Les procédés existant pour la fabrication de sous-couches et de systèmes barrière thermique pour les aubes mobiles des turbomachines sont complexes, onéreux, et, de leur reproductibilité dépend la durée de vie de ces systèmes. Cette étude montre la faisabilité d'obtention de sous-couches γ-Ni + γ'-Ni3Al enrichies en platine et de systèmes barrière thermique complets, par l'utilisation du procédé de Spark Plasma Sintering (SPS). Les paramètres du procédé SPS (pression, durée, température et nombre de paliers) ont été ajustés afin de fabriquer les différents types de systèmes. Des améliorations ont été apportées à l'outillage, en vue notamment de mieux appréhender la température de la pièce lors du cycle thermique et, d'empêcher la formation de carbures. Les propriétés microstructurales des revêtements obtenus sont caractérisées et mises en relation avec les paramètres d'élaboration. De plus, les propriétés d'usage (cinétique d'oxydation, résistance au cyclage thermique et à la corrosion par les aluminosilicates fondus, CMAS, conductivité thermique) ont été évaluées. Un large domaine de composition de sous-couches a pu être exploré, notamment par l'addition, par pulvérisation cathodique, d'éléments réactifs (Hf, Y, Si) et d'autres éléments (Ag, Au, Cu) ayant un effet sur le domaine de stabilité de la phase γ'. La possibilité de réaliser des systèmes barrière thermique mono et bi-couches céramiques en une seule étape par le procédé SPS est également démontrée. Un mode d'endommagement spécifique des systèmes barrière thermique élaborés par SPS a été mis en évidence lors d'essais de cyclage thermique et interprété avec l'aide de simulations numériques par éléments finis. Les nombreuses compositions et architectures réalisées au cours de cette étude, sont un encouragement à poursuivre les améliorations apportées au procédé pour l'obtention de systèmes plus complexes et plus fiables. ABSTRACT : Fabrication of bond coatings and thermal barrier coating systems for aircraft engine turbine blades and vanes, rely on complex and costly processes, and the lifetime of the systems highly depends on their reproducibility. This work demonstrates the feasibility of platinum rich γ-Ni + γ'-Ni3Al bond coatings and complete thermal barrier coating systems using the Spark Plasma Sintering (SPS) process. Processing parameters (pressure, number, temperature and duration of dwells) have been finely tuned to fabricate the different types of systems. Some necessary adjustments to the equipments have been made to prevent the specimens from pollution, and to better control the samples temperature, and are discussed. The microstructure characteristics and their relation with process parameters have been investigated. Properties such as oxidation kinetics, thermal cycling resistance and CMAS (molten aluminosilicate) corrosion are evaluated. Physical vapor deposition have been used for bond coat doping with reactive elements (Hf, Y, Si) and elements that extend the γ' phase stability domain (Au, Ag, Cu). The possibility to fabricate complete thermal barrier coating systems with a mono or a bi-ceramic top coat layer in a single step is demonstrated. SPS thermal barrier coating systems exhibit a singular spalling behavior during thermal cycling. A finite-element numerical model has been developed and allows its understanding. The versatility of the SPS process has allowed the fabrication of a large number of bond coat compositions and thermal barrier coatings architectures. There is a strong incentive in developing this process for fabricating more reliable and competitive systems