Non-destructive testing and modeling of self-healing thermal barrier coatings

Thermal barrier coatings are ceramic materials used to coat components working at extremely high temperatures, to protect them from heat and corrosion damage. The two main fields of application of these coatings are gas turbines for power generation and jet engines. With the progressive trend of raising operating temperature of these turbines to increase their efficiency, it has become more and more important to improve performances of TBCs and their lifetime. Typical thermal barrier coating systems are composed of three layers: a topcoat TBC, a bondcoat and the substrate. The material of choice for thermal barrier coatings is 6-8 % Yttria Partially Stabilized Zirconia (YPSZ), which has desirable features such as low thermal conductivity, high thermal expansion coefficient (to match the expansion and contraction of the substrate due to temperature variations) and high strain tolerance. Due to the inevitable growth of an oxide layer between the TBC and the bondcoat and its thermal expansion mismatch with the other layers, cracks develop inside TBCs during thermal cycling. A new type of self-healing thermal barrier coating has been developed in the frame of SAMBA project, a European project which had the aim to find a way to increase TBC coating life. The idea revolves around a self-healing mechanism promoted by MoSi2 particles, that has the purpose of stopping cracks by oxidation of said particles. Different sets of samples with and without self-healing particles have been produced by Forschungszentrum Jülich by Air Plasma Spray and distributed among the project partners for testing. Different techniques have been employed to assess the damage evolution inside self-healing TBCs. The present thesis work deals with the investigation of damage evolution in these samples, by means of non-destructive thermographic techniques. Two different methods have been employed to monitor both microscopic diffuse cracking and macroscopic delamination: normalized thermal diffusivity and apparent thermal effusivity. Both techniques have been applied to TBC samples which underwent thermal cycling testing in a thermal oxidation furnace, to recreate the conditions that real components experience during operation. Experimental campaigns have been conducted both on self-healing TBCs and benchmark TBCs (without self-healing particles). Comparisons between thermography and imaging techniques have been made to evaluate the validity of thermographic techniques in monitoring TBC damage. To have a better understanding of the outcomes of thermal diffusivity measurements in evaluating the damage evolution of samples, a heuristic model has been developed using Matlab software. It comprises different existing models used to estimate thermal conductivity of composites, and experimental data obtained from benchmark samples, adapted to simulate the trend of normalized thermal diffusivity curves in self-healing TBCs during thermal cycling. It takes into account the influence of sintering, crack growth, crack healing, particle depletion, in a single cell modeled as a cuboid with a thin crack propagating from its center. Different parameters can be tweaked, including self-healing particle size volume fraction and distribution, crack thickness, healing efficiency. Once the code had been developed, a sensitivity study has been performed to understand the influence of these parameters on thermography simulations. All the experimental and modeling work has been performed at RSE (Ricerca per il Sistema Energetico) research center.

Le barriere termiche (TBC, Thermal Barrier Coating) sono materiali ceramici usati per rivestire componenti sottoposti a temperature estremamente alte, per proteggerli dal calore e dalla corrosione. Le due principali applicazioni di questi materiali sono le turbine per la generazione di energia elettrica e i motori di aereo. Data la recente tendenza di aumentare la temperatura di esercizio di queste turbine per aumentarne il rendimento, il ruolo delle TBC è diventato sempre più importante, insieme alla necessità di migliorarne le prestazioni. Tipicamente la struttura di una barriera termicha è costituita da tre strati: topcoat (la barriera termica in sé), bondcoat e substrato. Il materiale più usato per le barriere termiche è la zirconia parzialmente stabilizzata con yttria (6-8%), che possiede tutte le caratteristiche necessarie alla sua applicazione, ossia una bassa conducibilità termica, alto efficiente di espansione termica (per potersi espandere e contrarre il più similmente possibile al substrato, a causa di variazioni di temperatura), alta resistenza alla deformazione. A causa dell’inevitabile formazione di uno strato di ossido tra il bondcoat e la barriera termica e la differenza tra il suo coefficiente di espansione termica rispetto agli altri strati, durante l’uso dei componenti si verifica l’accumulo di stress residui, che porta alla formazione e alla crescita di cricche nella barriera termica. Un nuovo tipo di barriera termica, con proprietà auto-riparanti, è stata sviluppata all’interno del progetto SAMBA, un progetto europeo finalizzato al miglioramento della vita delle barriere termiche. L’idea si basa su un meccanismo di auto-riparazione causato da particelle di MoSi2, che ossidandosi quando vengono raggiunte dalle cricche, ne fermano la propagazione riempiendole e sigillandole. Allo scopo di studiare tali materiali, diversi batch di campioni, con e senza particelle auto-riparanti, sono stati preparati dal Forschungszentrum Jülich tramite la tecnica di deposizione Air Plasma Spray (APS) e distribuite ai partner del progetto per le attività di test. Sono state impiegate diverse tecniche per monitorarne l’evoluzione del danno. Il presente lavoro di tesi tratta dello studio dell’evoluzione del danno in questi campioni, applicando tecniche termografiche non distruttive. Due metodi diversi sono stati impiegati per monitorare l’andamento della criccatura microscopica diffusa e della delaminazione macroscopica: diffusività termica normalizzata, ed effusività apparente. Entrambe le tecniche sono state applicate ai campioni di TBC sottoposti a ciclaggio termico in un forno ad ossidazione ciclica, per riprodurre le condizioni cui i componenti reali sono sottoposti durante l’utilizzo. Sono state condotte attività sperimentali sia sulle barriere termiche senza particelle (presi come campioni di riferimento), sia su quelle con le particelle che conferiscono proprietà auto-riparanti. È stato poi effettuato un confronto tra le tecniche termografiche e tecniche di imaging (SEM, XCT) per valutare la validità della termografia nel monitorare il danno nelle barriere termiche. Per avere una migliore comprensione dei risultati delle misure di diffusività termica usati per valutare l’entità del danno dei campioni nel tempo, è stato sviluppato un modello tramite l’utilizzo del software Matlab. All’interno di esso sono stati inclusi diversi modelli già esistenti per stimare la conducibilità termica dei materiali compositi, e sono stati impiegati alcuni dati sperimentali ottenuti dai campioni di riferimento, e il tutto è stato riadattato per simulare l’andamento delle curve di diffusività termica normalizzata nel caso di barriere termiche self-healing durante le prove di ciclaggio termico. Questo modello tiene in considerazione vari contributi come l’influenza della sinterizzazione della barriera termica, la crescita della cricca e la sua sigillatura, la diminuzione del numero di particelle self-healing, in un sistema modellato come una singola cella elementare con una cricca sottile in mezzo che si propaga nel tempo. Sono coinvolti diversi parametri che è possibile modificare, tra cui la distribuzione delle dimensioni delle particelle (modellate come sfere), la frazione in volume delle particelle, lo spessore della cricca, il rendimento del fattore di cura. Dopo aver sviluppato il codice, è stato condotto uno studio di sensibilità sui parametri per capirne l’influenza sulle simulazioni di prove termografiche. Tutto il lavoro sperimentale e di modellazione è stato eseguito presso il centro di ricerca RSE (Ricerca per il Sistema Energetico) di Milano.