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Optical Properties of Thermal Barrier Coatings: Relation between Light Scattering, Microstructure and Degradation

Francis Blanchard

Ph.D. thesis (2023)

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Abstract

Environmental and economic considerations push aircraft engine designs towards higher fuel efficiency, which is generally achieved by increasing the operating temperature. This, in turn, has led to a constant research effort aimed towards improving the temperature that the walls of the combustion chamber and the blades of the hot section of the turbine can withstand. In modern engines, the superalloys that these parts are made of cannot survive by themselves and thermal barrier coatings (TBCs) are used to protect them. Composed of a bond-coat to promote adhesion and a ceramic topcoat, usually deposited by atmospheric plasma-spray (APS) or electron-beam physical vapor deposition (EB-PVD), these coatings are specifically engineered to have a porous microstructure which mitigates heat transfer from the hot gases to their metallic substrates. Heat transfer can occur in three major ways: electrically, through electrons, by conduction, through phonons, and by radiation, through photons. TBCs are capable of preventing all three, with electrons being a non-issue in an engine and most of the development efforts aimed towards reducing their thermal conductivity. Their capacity to reflect radiation, however, has been relatively ignored and came by as a side-effect of their unique porous microstructure meant to reduce conductivity. As engine operating temperatures increase, however, the radiative proportion of heat transfer from the hot gases to the metallic components increases at the power of 3 faster than the conductive part. Future TBC designs must, therefore, be designed with radiation reflectivity in mind. Accordingly, the main objective of this Ph.D. project is to investigate the relationship between the microstructure and optical properties of TBCs. In the initial investigations of this thesis, TBCs were found to have good initial radiation reflectivity, but suffer a large decrease of it over their lifetime. Based on this result, the specific objectives of this project are threefold: a) study how degradation due to thermal ageing, aka. sintering, affects the optical properties, b) study how degradation due to CMAS (calcium-magnesium-alumino-silicate) infiltration affects those same properties, and c) determine ways to mitigate the impact of degradation on reflectivity using modelling.

Résumé

Pour des raisons économiques et environnementales, une consommation de carburant plus faible est un enjeu de recherche majeur pour les moteurs d’avions. De manière générale, un moteur est plus efficient lorsqu’il opère à une température plus élevée, ce qui implique que les murs de la chambre de combustion et pales de la section chaude de la turbine doivent aussi être en mesure de survivre à cette température plus élevée. Dans les moteurs modernes, les composants en superalliage ne sont pas en mesure de soutenir cette température et doivent donc être protégés par des revêtements de type barrière thermique (TBCs). Ces derniers sont composés d’une couche d’adhésion ainsi que d’une couche supérieure en céramique réfractaire, habituellement déposée par projection plasma (APS) ou dépôt en phase vapeur assisté par faisceau d’électrons (EB-PVD). Leur microstructure est conçue pour être poreuse, ce qui leur permet de mitiger le transfert de chaleur entre les gaz chauds et les composants métalliques du moteur. Le transfert de chaleur peut se faire selon trois vecteurs principaux : électriquement, par les électrons, par conduction grâce aux phonons ainsi que par radiation, par la transmission de photons. Les TBCs sont en mesure de prévenir chacun d’entre eux, avec les électrons posant peu de difficulté dans l’environnement du moteur, et la majorité des efforts de recherche consacrés à réduire leur conductivité thermique. Leur capacité à réfléchir la radiation, en revanche, n’a pas fait l’objet de beaucoup d’efforts de recherche et provient, presque par chance, de la microstructure poreuse conçue pour réduire la conductivité. Toutefois, alors que la température d’opération du moteur augmente, la proportion du transfert de chaleur attribuable à la radiation augmente à la puissance 3 plus rapidement que celle provenant de la conduction, ce qui signifie que les futurs TBCs doivent être conçus avec la réflexion de la radiation comme enjeu majeur. Pour cette raison, l’objectif principal de ce projet de doctorat est l’étude de la relation entre la microstructure et les propriétés optiques des TBCs. Au début du projet, nous avons observé que les TBCs ont une bonne capacité initiale à réfléchir la radiation, mais que celle-ci diminue de manière importante au cours de leur cycle de vie.

Department: Department of Engineering Physics
Program: Génie physique
Academic/Research Directors: Ludvik Martinu and Jolanta-Ewa Sapieha
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/10821/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 06 Nov 2023 11:39
Last Modified: 10 Apr 2024 18:07
Cite in APA 7: Blanchard, F. (2023). Optical Properties of Thermal Barrier Coatings: Relation between Light Scattering, Microstructure and Degradation [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/10821/

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