Evaluation of the Lifetime and Effect of Furnace Thermal Cycling on Stress Rupture Behaviour of a Thermal Barrier Coated Superalloy Used in a Turbine Blade

Abstract

This paper highlights the trends recently observed while evaluating the lifetime of a thermal barrier coated (TBC) AE-437A Ni base superalloy mostly employed for manufacturing compressor and stationary stator blades in aero turbines from accelerated creep tests in air at 800°C. Based on accelerated stress rupture properties, the TBC specimens had superior life in terms of rupture hours compared to that of the bare substrate as severe high temperature oxidation is likely the cause of the reduced lifetime of the bare substrate while accelerated creep experiments are carried out in an oxidizing environment. The effect of furnace thermal cycling on accelerated creep properties of the TBC samples at 70 MPa and 800°C was also studied. It was observed that furnace thermal cycling (10 to 50, one hour thermal cycles) prior to creep loading, drastically reduces the rupture life of the TBCs. The life of thermal barrier coating prior to delamination and spallation is dominated by micro-cracking in both the thermally grown oxide and the yttria stabilized zirconia top coat. The damage generated by this micro-cracking is expected to be a primary life limiting factor. Delamination of top coat layer and bond coat from the substrate occurred at very high creep stress, whereas delamination of TBC from the bond coat was evident at intermediate creep stress level.RésuméCet article souligne les tendances observées récemment lors de l'évaluation de la durée de vie du superalliage AE-437A à base de Ni, revêtu d'une barrière thermique (TBC), utilisé principalement dans la fabrication d'aubes de compresseur et de stator stationnaire dans les turbines éoliennes, à partir d'essais de fluage accéléré à l'air, à 800°C. D'après les propriétés de fracture sous contrainte accélérée, les échantillons de TBC avaient une durée de vie supérieure en termes d'heures à la rupture par rapport à celle du substrat nu puisque l'oxydation sévère à haute température est probablement la cause de la durée de vie réduite du substrat nu alors que les expériences de fluage accéléré sont effectuées dans un environnement oxydant. On a également étudié l'effet du cycle thermique en fournaise sur les propriétés de fluage accéléré des échantillons de TBC à 70 MPa et 800°C. On a observé que le cycle thermique en fournaise (10 à 50 cycles thermiques d'une heure), avant le chargement en fluage, réduisait radicalement la durée de vie de rupture des TBCs. La durée de vie d'un revêtement de barrière thermique avant le délaminage et l'éclatement est dominée par la microfissuration tant dans l'oxyde de croissance thermique que dans le revêtement supérieur de zircone stabilisée à l'oxyde d'yttrium. On s'attend à ce que le dommage engendré par cette microfissuration soit un facteur primaire de limitation de la durée de vie. Le délaminage de la couche supérieure de revêtement et de la couche d'ancrage du substrat se produisait à des charges très élevées de fluage, alors que le délaminage du TBC de la couche d'ancrage était évident à un niveau intermédiaire de charge de fluage.