ISO 14188:2012
(Main)Metallic and other inorganic coatings — Test methods for measuring thermal cycle resistance and thermal shock resistance for thermal barrier coatings
Metallic and other inorganic coatings — Test methods for measuring thermal cycle resistance and thermal shock resistance for thermal barrier coatings
ISO 14188:2012 specifies test methods applicable to thermal barrier coatings for measuring thermal cycle resistance by using steady cyclical heating and cooling procedures, and for measuring thermal shock resistance using a heating and quenching technique. These measurements are used for the evaluation of durability of thermal barrier coatings to thermal strain. ISO 14188:2012 is applicable for screening thermal barrier coating systems including materials and processing, and not for controlling the thermal spraying processes.
Revêtements métalliques et autres revêtements inorganiques — Méthodes d'essai pour mesurer la résistance au cyclage thermique et la résistance au choc thermique des revêtements barrières thermiques
L'ISO 14188:2012 spécifie les méthodes d'essai applicables aux revêtements barrières thermiques pour mesurer la résistance au cyclage thermique à l'aide de modes opératoires de chauffage et de refroidissement cycliques constants, et pour mesurer la résistance au choc thermique à l'aide d'une technique de chauffage et de trempe. Ces mesures servent à évaluer la résistance du revêtement barrière thermique aux contraintes thermiques. L'ISO 14188:2012 s'applique à l'inspection des systèmes de revêtement barrière thermique, y compris les matériaux et les traitements, mais pas au contrôle des procédés de projection thermique.
General Information
Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 14188
First edition
2012-10-15
Metallic and other inorganic coatings —
Test methods for measuring thermal
cycle resistance and thermal shock
resistance for thermal barrier coatings
Revêtements métalliques et autres revêtements inorganiques —
Méthodes d’essai pour mesurer la résistance au cyclage thermique et la
résistance au choc thermique des revêtements barrières thermiques
Reference number
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ISO 2012
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Contents Page
Foreword .iv
Introduction . v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Principle . 3
5 Test methods . 3
5.1 General . 3
5.2 Thermal cycle resistance method . 3
5.3 Thermal shock resistance method .10
6 Test reports .13
6.1 General .13
6.2 Test report of thermal cycle resistance method .14
6.3 Test report of thermal shock resistance method .14
Bibliography .15
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the International
Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 14188 was prepared by Technical Committee ISO/TC 107, Metallic and other inorganic coatings.
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Introduction
Thermal barrier coatings are highly advanced material systems, generally applied to surfaces of hot-section
parts made of nickel or cobalt based superalloys, such as blades, vanes and combustors in gas turbines and
aero-engines, operated at elevated temperatures.
The purpose of these coatings is to insulate metallic components for an extended period at elevated temperatures
by employing thermally insulating materials which can sustain an appreciable temperature difference between
load bearing alloys and coating surfaces. By shielding these parts, these coatings permit the use of high operating
temperatures by restricting exposure of structural parts to these temperatures, thereby extending their lives.
This International Standard specifies test methods, applicable to these thermal barrier coatings, for measuring
thermal cycle resistance and thermal shock resistance using appropriate heating and cooling procedures.
INTERNATIONAL STANDARD ISO 14188:2012(E)
Metallic and other inorganic coatings — Test methods for
measuring thermal cycle resistance and thermal shock
resistance for thermal barrier coatings
1 Scope
This International Standard specifies test methods applicable to thermal barrier coatings for measuring thermal
cycle resistance by using steady cyclical heating and cooling procedures, and for measuring thermal shock
resistance using a heating and quenching technique.
These measurements are used for the evaluation of durability of thermal barrier coatings to thermal strain.
This International Standard is applicable for screening thermal barrier coating systems including materials and
processing, and not for controlling the thermal spraying processes.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated
references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced document
(including any amendments) applies.
ISO 14232, Thermal spraying — Powders — Composition and technical supply conditions
ISO 14916, Thermal spraying — Determination of tensile adhesive strength
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
3.1
thermal barrier coating
TBC
two-layer coating consisting of a metallic bond coat and an oxide top coat, in order to reduce heat transfer from
outside the top coat through the coating to the base material
NOTE When a TBC is exposed to operating at a high temperature, thermally grown oxide (TGO) develops on the top
of the bond coat. The substrate is a typically heat-resistant high nickel based alloy class, UNS N 06002 type of material.
The coatings, illustrated in Figure 1, are applied by using physical or chemical vapour deposition or by thermal spray
processes, such as plasma spray and high velocity oxy-fuel (HVOF) spray conforming to ISO 14232.
2 3 4
Key
1 combustion gas temperature
2 top coat
3 TGO
4 bond coat
5 thermal barrier effect
6 temperature
7 TBC
8 cooling air temperature
9 substrate
Figure 1 — Diagrammatic view of the section and effects of TBC
3.2
thermally grown oxide
TGO
oxide grown between top and bond coat when the coating system is heated
3.3
ratio of spalling areas
proportion of the total spalling area relative to the effective area of the TBC
3.4
critical number of cycles to spalling
number of thermal cycles immediately prior to achieving 30 % in ratio of spalling area
NOTE In the assessment of spalling area, areas of delamination or cracking are excluded.
3.5
thermal shock temperature difference
difference in temperatures between heating and cooling water treatments of the test pieces in thermal shock tests
3.6
thermal shock resistance
thermal shock temperature difference that causes a reduction of tensile adhesive strength immediately prior to
a decrease of 30 % relative to the tensile adhesive strength in the absence of thermal shock
2 © ISO 2012 – All rights reserved
4 Principle
The test methods include the thermal cycle resistance test by using steady cyclical heating and cooling
procedures and consist of measuring ratio of spalling areas, and the thermal shock resistance test by measuring
tensile adhesive strength following application of thermal shock. Thermal shock is applied by heating the
test pieces in a furnace to the appropriate temperature and quenching in water. The coatings are applied by
physical, chemical vapour deposition or by thermal spray processes such as plasma spray and high velocity
oxy-fuel (HVOF) spray by using feedstock powders (ISO 14232).
5 Test methods
5.1 General
a) All measurements related to physical quantities, dimensions and quantities and unit systems shall be
carried out in accordance with appropriate International Standards (see Bibliography).
b) When ordering testing in accordance with this International Standard, agreement between the contracting
parties are needed in writing in contract or purchase order, concerning the following:
1) handling and sectioning procedures, method of application of coatings, whether the coating surface
is to be used as coated;
2) for the thermal cycle test, selection of test pieces, position and size of piercing on test pieces, number
of and any interruption of thermal cycles, and upper limit of high temperature, heating time, holding
time at high temperature, cooling time and holding time at low temperature of a thermal cycle.
5.2 Thermal cycle resistance method
5.2.1 General
The test method covers a thermal cycle resistance test by using steady cyclical heating and cooling procedures
and consists of measuring ratio of spalling areas. This method is useful in the selection of materials, coating
processes and process conditions in the TBC system used in gas turbines operating at elevated temperatures.
5.2.2 Apparatus
The apparatus consists of a heating and cooling device and temperature control system, and is shown in Figure 2.
a) Vertical type
Key
1 heating and cooling device
2 high-temperature bath
3 low-temperature bath
4 test piece
5 thermocouple
6 temperature controller
7 temperature control system
8 test-piece-moving device
Figure 2 — Typical device for thermal cycle resistance method (continued)
4 © ISO 2012 – All rights reserved
8 9
b) Horizontal type
Key
1 test piece support
2 test piece
3 shield plate (up/down possible)
4 thermocouple
5 temperature controller
6 temperature control system
7 test-piece-moving device
8 high-temperature bath
9 low-temperature bath
10 heating and cooling device
Figure 2 — Typical device for thermal cycle resistance method
5.2.2.1 Heating and cooling device
a) The heating and cooling device consists of high- and low-temperature baths respectively. The atmosphere
in both baths is air.
b) The test piece is placed alternately in the two baths which are fixed; or alternatively, the test piece is fixed
and the baths are alternated.
c) The test pieces may be directly exposed to ambient air instead of using the low-temperature bath.
d) The temperature control system consists of the temperature controller and thermocouples (see Figure 2). The
temperature is regulated to ensure that the temperature of the test pieces is within the range given in Table 1.
Table 1 — Permissible temperature deviation from the target test temperature of test pieces
Test temperature Permissible deviation
°C °C
Room temperature to ≤ 600 ±3
> 600 to ≤ 800 ±4
> 800 to ≤ 1 000 ±5
> 1 000 ±7
5.2.3 Test pieces
5.2.3.1 Test pieces
The test pieces shall be of the flat plate type (Figure 3) or the disk type (Figure 4). To facilitate handling, the
test pieces may be pierced.
Chamfering or rounding of the substrate edges shall appropriately be applied in order to avoid stress
concentration at these locations.
5.2.3.2 Measurement of dimensions
Measure the dimensions of the parts to the nearest 0,1 mm using appropriate instruments [see 5.1.a)].
5.2.3.3 Measurement of mass of test pieces
Weigh the test pieces to the nearest 1 mg using appropriate instruments [see 5.1.a)].
a
l
Key
l length
b width
t total thickness
a
20 mm to 100 mm
b
20 mm to 50 mm
c
1,5 mm to 12,7 mm
The shaded area is covered with the TBC.
Figure 3 — Shape and dimensions of flat-plate-type test piece
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b
b
c
t
a
D
Key
D outside diameter
t total thickness
a
20 mm to 40 mm
b
1,5 mm to 5,0 mm
The shaded area is covered with the TBC.
Figure 4 — Shape and dimensions of disk-type test piece
5.2.4 Test procedures
5.2.4.1 Heating and cooling methods
Test pieces are held in the low-temperature bath before transferring them to the high-temperature bath and
are held there for a specified duration. Once the test pieces have achieved stability, they are then relocated to
the low-temperature bath and held there for a specified duration. A thermal cycle, shown in Figure 5, therefore,
consists of a period of stability in the low-temperature bath and subsequently a period of stability in the high-
temperature bath at the specified temp
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 14188
Première édition
2012-10-15
Revêtements métalliques et autres
revêtements inorganiques — Méthodes
d’essai pour mesurer la résistance
au cyclage thermique et la résistance
au choc thermique des revêtements
barrières thermiques
Metallic and other inorganic coatings — Test methods for measuring
thermal cycle resistance and thermal shock resistance for thermal
barrier coatings
Numéro de référence
©
ISO 2012
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Droits de reproduction réservés. Sauf prescription différente, aucune partie de cette publication ne peut être reproduite ni utilisée sous
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Publié en Suisse
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Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction . v
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Principe . 3
5 Méthodes d’essai . 3
5.1 Généralités . 3
5.2 Méthode d’essai de résistance au cyclage thermique . 3
5.3 Méthode d’essai de résistance au choc thermique .10
6 Rapports d’essai .14
6.1 Généralités .14
6.2 Rapport d’essai de la méthode d’essai de résistance au cyclage thermique .14
6.3 Rapport d’essai de la méthode d’essai de la résistance au choc thermique .14
Bibliographie .15
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est en général confiée aux
comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du comité
technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non gouvernementales,
en liaison avec l’ISO participent également aux travaux. L’ISO collabore étroitement avec la Commission
électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI, Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d’élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur publication
comme Normes internationales requiert l’approbation de 75 % au moins des comités membres votants.
L’attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de droits
de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne pas avoir
identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L’ISO 14188 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 107, Revêtements métalliques et autres revêtements
inorganiques.
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Introduction
Les revêtements barrières thermiques sont des systèmes de matériaux de haute technologie. Ils sont
généralement appliqués sur la surface des sections chaudes de pièces en superalliage à base de nickel ou
de cobalt, telles que les aubes, pales et chambres de combustion des turbines à gaz et des moteurs d’avion
fonctionnant à de hautes températures.
Le rôle de ces revêtements est d’isoler les substrats métalliques exposés de manière prolongée à des
températures élevées en utilisant des matériaux d’isolation thermique qui peuvent résister à une différence de
température sensible entre les alliages porteurs de charge et les surfaces de revêtement. En protégeant ces
pièces, les revêtements permettent des températures de fonctionnement élevées car elles limitent l’exposition
des pièces de structure à ces températures et prolongent ainsi leur durée de vie.
La présente Norme internationale spécifie les méthodes d’essai applicables aux revêtements barrières
thermiques, pour mesurer la résistance au cyclage thermique et la résistance au choc thermique à l’aide de
modes opératoires de chauffage et de refroidissement adaptés.
NORME INTERNATIONALE ISO 14188:2012(F)
Revêtements métalliques et autres revêtements inorganiques —
Méthodes d’essai pour mesurer la résistance au cyclage
thermique et la résistance au choc thermique des revêtements
barrières thermiques
1 Domaine d’application
La présente Norme internationale spécifie les méthodes d’essai applicables aux revêtements barrières
thermiques pour mesurer la résistance au cyclage thermique à l’aide de modes opératoires de chauffage et de
refroidissement cycliques constants, et pour mesurer la résistance au choc thermique à l’aide d’une technique
de chauffage et de trempe.
Ces mesures servent à évaluer la résistance du revêtement barrière thermique aux contraintes thermiques.
La présente Norme internationale s’applique à l’inspection des systèmes de revêtement barrière thermique, y
compris les matériaux et les traitements, mais pas au contrôle des procédés de projection thermique.
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l’application du présent document. Pour les
références datées, seule l’édition citée s’applique. Pour les références non datées, la dernière édition du
document de référence s’applique (y compris les éventuels amendements).
ISO 14232, Projection thermique — Poudres — Composition et conditions techniques de livraison
ISO 14916, Projection thermique — Mesure de l’adhérence par essais de traction
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s’appliquent.
3.1
revêtement barrière thermique
TBC
revêtement bicouche composé d’une couche de liaison métallique et d’une couche supérieure d’oxyde visant à
limiter le transfert de chaleur à travers le revêtement, de l’extérieur de la couche supérieure au matériau de base
NOTE Lorsqu’un TBC est exposé à une température de fonctionnement élevée, un oxyde à croissance thermique
(TGO) se forme au-dessus de la couche de liaison. En général, le substrat appartient à une classe d’alliage à haute teneur
en nickel résistant à la chaleur, du type UNS N 06002. Les revêtements illustrés à la Figure 1 sont appliqués par des
procédés de dépôt physique ou chimique en phase vapeur ou de projection thermique tels que la projection plasma et la
projection par flamme supersonique (HVOF) selon l’ISO 14232.
2 3 4
Légende
1 température du gaz de combustion
2 couche supérieure
3 TGO
4 couche de liaison
5 effet de barrière thermique
6 température
7 TBC
8 température de l’air de refroidissement
9 substrat
Figure 1 — Vue en coupe schématique et effets du TBC
3.2
oxyde à croissance thermique
TGO
oxyde qui se forme entre la couche supérieure et la couche de liaison lorsque le système de revêtement est
chauffé à une certaine température
3.3
part des surfaces d’écaillage
proportion de la surface d’écaillage totale par rapport à la surface de TBC effective
3.4
nombre critique de cycles jusqu’à l’écaillage
nombre de cycles thermiques précédant immédiatement l’obtention d’une part de surface d’écaillage de 30 %
NOTE Les zones de délaminage ou de fissuration sont exclues de l’évaluation de la surface d’écaillage.
3.5
différence de températures du choc thermique
écart de température entre les traitements par chauffage et par eau de refroidissement des éprouvettes au
cours des essais de choc thermique
3.6
résistance au choc thermique
différence de températures du choc thermique, qui provoque une diminution de l’adhérence à la traction
immédiatement avant une réduction de 30 % par rapport à l’adhérence à la traction en l’absence de choc thermique
2 © ISO 2012 – Tous droits réservés
4 Principe
Les méthodes d’essai incluent d’une part l’essai de résistance au cyclage thermique à l’aide de modes
opératoires de chauffage et de refroidissement cycliques constants, qui consiste à mesurer la part des surfaces
d’écaillage, et d’autre part l’essai de résistance au choc thermique par la mesure de l’adhérence à la traction
suite à l’application d’un choc thermique. Le choc thermique est réalisé en chauffant les éprouvettes dans un
four à la température appropriée puis en les trempant dans l’eau. Les revêtements sont appliqués par des
procédés de dépôt physique ou chimique en phase vapeur ou de projection thermique, tels que la projection
plasma et la projection par flamme supersonique (HVOF) en utilisant des poudres de charge (ISO 14232).
5 Méthodes d’essai
5.1 Généralités
a) Toutes les mesures liées à des quantités physiques, des dimensions et des systèmes de grandeurs
et d’unités doivent être effectuées conformément aux Normes internationales correspondantes (voir
Bibliographie).
b) Lors de la commande d’essais selon la présente Norme internationale, un accord entre les parties
contractantes, sous la forme d’un contrat écrit ou d’un bon de commande, est requis sur les points suivants:
1) les modes opératoires de manipulation et de coupe, la méthode d’application des revêtements, une
mention indiquant si la surface de revêtement doit être utilisée telle que revêtue;
2) pour l’essai de cyclage thermique, la sélection des éprouvettes, la position et la taille du perçage sur
l’éprouvette, le nombre des cycles thermiques et leurs éventuelles interruptions, ainsi que la limite supérieure
de la plage de températures hautes, le temps de chauffage, le temps de maintien à haute température, le
temps de refroidissement et le temps de maintien à basse température d’un cycle thermique.
5.2 Méthode d’essai de résistance au cyclage thermique
5.2.1 Généralités
La méthode d’essai couvre un essai de résistance au cyclage thermique à l’aide de modes opératoires de
chauffage et de refroidissement cycliques constants et consiste à mesurer la part de surfaces d’écaillage.
Cette méthode est utile lors de la sélection des matériaux, des processus de revêtement et des conditions de
traitement pour le système de TBC utilisé dans les turbines à gaz fonctionnant à des températures élevées.
5.2.2 Appareillage
L’appareillage comprend un dispositif de chauffage et de refroidissement ainsi qu’un système de régulation de
la température. Il est illustré à la Figure 2.
a) Type vertical
Légende
1 dispositif de chauffage et de refroidissement
2 bain haute température
3 bain basse température
4 éprouvette
5 thermocouple
6 régulateur de température
7 système de régulation de la température
8 dispositif de déplacement de l’éprouvette
Figure 2 — Dispositif type pour la méthode d’essai de résistance au cyclage thermique (suite)
4 © ISO 2012 – Tous droits réservés
8 9
b) Type horizontal
Légende
1 support pour éprouvettes
2 éprouvette
3 plaque de séparation (déplacement vertical possible)
4 thermocouple
5 régulateur de température
6 système de régulation de la température
7 dispositif de déplacement de l’éprouvette
8 bain haute température
9 bain basse température
10 dispositif de chauffage et de refroidissement
Figure 2 — Dispositif type pour la méthode d’essai de résistance au cyclage thermique
5.2.2.1 Dispositif de chauffage et de refroidissement
a) Le dispositif de chauffage et de refroidissement est composé de bains haute et basse températures,
respectivement. L’atmosphère des deux bains est l’air.
b) L’éprouvette est placée alternativement dans les deux bains qui sont fixes; l’éprouvette peut également
être fixe et les deux bains être alternés.
c) Les éprouvettes peuvent être exposées directement à l’air ambiant au lieu d‘utiliser le bain basse température.
d) Le système de régulation de la température est constitué du régulateur de température et des thermocouples
(voir Figure 2). La température est régulée de sorte à garantir que la température des éprouvettes est dans
la plage indiquée dans le Tableau 1.
Tableau 1 — Écart de température admissible de la température d’essai cible des éprouvettes
Température d’essai Écart admissible
°C °C
Température ambiante à ≤ 600 ±3
> 60
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.