Prévision de la durée de vie d'un système superalliage revêtu barrière thermique en conditions extrêmes pour applications // Life assessment of thermal barrier coating for extreme loading in gas turbine

La demande annuelle en électricité est en constante augmentation dans l'Union Européenne, passant de l'ordre de 2280 TWh en 1990 à 2780 TWh en 2025, et en France d'environ 370 à 470 TWh sur la même période. La production d'électricité en Europe a quant à elle bondi de 7% entre 2000 et 2023, pour atteindre environ 4000 TWh en 2023. Dans ce contexte, il est nécessaire d'optimiser la production ponctuelle d'électricité pour pallier aux demandes soudaines d'électricité pouvant contraindre le réseau. Cette production ponctuelle se base en partie sur la technologie des turbines à gaz, qui permet une conversion de la combustion en production électrique. Or, ces turbines doivent être opérationnelles dans des temps courts et pour cela doivent être dimensionnées de façon fiable sans qu'aucun endommagement ne perturbe leur fonctionnement.
Dans ce contexte, l'ONERA et Mines Paris proposent un projet commun avec le groupe Siemens Energy sur l'estimation de la durée de vie des aubages, constitués de superalliages à base de nickel revêtus d'une barrière thermique (BT) épaisse en céramique (zircone partiellement stabilisée). Ces matériaux présentent l'avantage de détenir de bonnes propriétés thermomécaniques en température (> 1000°C) ainsi qu'une bonne compatibilité thermo-physique (coefficients de dilatation proches et chimies compatibles). La tenue du revêtement sur le substrat en service est, quant à elle, le point critique du développement et de la durée de vie du système complet. En effet, la barrière thermique permet d'isoler thermiquement le superalliage et limite considérablement le fluage, la corrosion et les autres dégradations possibles encourues par la partie métallique lors de la mise en service.
Cette thèse a pour ambition d'étudier le comportement du système superalliage/BT dans un environnement extrême, soumis à des températures élevées (~ 1250°C) et pour des sollicitations mécaniques intenses.
Il s'agit d'une part de réaliser et analyser des essais couplant ou non cyclage thermique et chargement mécanique, sur des bancs haute température, pour mettre en évidence les mécanismes de dégradation qui pilotent la durée de vie du système en service. Les barrières thermiques étudiées étant constituées de couches céramiques épaisses, la caractérisation de leur adhérence sur le substrat par la conduite d'essais de flexion et de compression sera mise en œuvre, en parallèle de la caractérisation par choc laser (essai LASAT). Dans le but de mieux comprendre ces essais, une attention particulière sera portée sur la mise en place d'instrumentations in situ des essais, basées sur des méthodes optiques ou acoustiques ainsi que sur l'analyse post mortem par des observations au microscope électronique à balayage (MEB).
D'autre part, un travail numérique est à mener pour dimensionner les essais et comprendre les résultats expérimentaux, au travers d'un dialogue essai/calcul. Cette démarche pourra permettre la mise en place d'un modèle d'endommagement futur intégrant les mécanismes de dégradation rencontrés et d'aller vers une prévision plus juste de la durée de vie du système.
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TBC systems for gas turbines face extreme temperature gradients that can result in top coat failure due to local cracking or complete spallation. For electrical power generation, increasing efficiency requires the use of a very thick ceramic top coat, which results in an extreme thermal gradient and subsequent damage. This study aims to characterize such conditions through thermo-mechanical testing that combines different facilities: compression testing under isothermal conditions until the top coat spalls, bending testing with or without surface heating by a laser rig, and cyclic laser rig heating to induce failure. Both compression and bending analyses will be monitored in situ using digital image correlation techniques. Additionally, a laser shock test will be performed to evaluate interfacial failure in the targeted TBC.
Finite element modeling will be used to extract the mechanical properties of the TBC system, including elastic properties and bulk and interfacial toughness, from this set of experimental facilities. Based on these results, a life framework will be proposed.
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Début de la thèse : 01/10/2026

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Mines Paris-PSL

621 ISMME - Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique

Profil type pour une thèse à MINES Paris: 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
Typical profile for a thesis at MINES Paris: 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