Dans le secteur aéronautique en pleine expansion, les préoccupations environnementales prennent une place de plus en plus importante. Les motoristes recherchent des solutions innovantes pour augmenter les rendements tout en diminuant les coûts. Une solution est d’augmenter les températures de fonctionnement des turbomachines pour atteindre ces objectifs de rendement et les barrières thermiques ont permis de nouveaux gains de performances. Le rôle principal de cette barrière est d’isoler thermiquement la pièce métallique de l’environnement gazeux et extrêmement agressif à laquelle elle est soumise.
Industriellement, les barrières thermiques sont élaborées par des procédés issus de la voie sèche : la projection plasma atmosphérique APS et le dépôt physique en phase vapeur sous faisceau d’électrons EBPVD qui conduisent tous deux à des microstructures directionnelles (respectivement lamellaires et colonnaires). Cependant, il existe un procédé alternatif qui permet de générer des microstructures non orientées à porositié équiaxe : il s’agit du procédé sol-gel. Différentes techniques de mises en forme des revêtements y sont associées telles que le dip-coating ou l’électrophorèse et permettent la fabrication de revêtements épais, nanostructurés, à porosité contrôlée, induisant des propriétés thermomécaniques singulières, et qu’il est possible de fonctionnaliser pour leur conférer des fonctions supplémentaires. L’objectif est d’optimiser en même temps la conductivité thermique et la durabilité via la tenue en oxydation cyclique. Dans cette perspective, de nouveaux systèmes de barrières thermiques synthétisés par la voie sol-gel à partir de poudres commerciales, de céramiques avec différents facteurs de forme et d’agents porogènes ont été mis en œuvre et évalués.
Malgré tout, cet accroissement des températures de fonctionnement des moteurs, induit une élévation des températures de surfaces des barrières thermiques et peut générer de nouvelles dégradations du système complet. En effet, à hautes températures, dans les conditions de fonctionnement réelles, des oxydes complexes mixtes appelés CMAS, à base de calcium, de magnésium, d’aluminium, de silicium, se déposent sur la barrière et atteignent leur température de fusion. Les CMAS fondus s’infiltrent, interagissent alors chimiquement et mécaniquement avec la barrière. Lors du refroidissement du système, ces CMAS se solidifient induisant des contraintes thermomécaniques au sein de la barrière pouvant aller jusqu’à la rupture de celle-ci. Pour pallier ces inconvénients, il est possible de développer des revêtements anti-CMAS, susceptibles de réagir avec les composés CMAS avant qu’ils n’aient un effet néfaste sur l’intégrité de la barrière thermique. Dans cette étude, nous nous sommes intéressés particulièrement aux revêtements sacrificiels anti-CMAS à base d’yttrine et de systèmes pyrochlore, qui ont été testés sur des barrières thermiques industrielles de type EBPVD.
Par ailleurs, les procédés que nous avons développés, basés sur la voie sol-gel, nous permettent, de par leur facilité de mise en œuvre, d’envisager des perspectives prometteuses en termes de réparabilité des barrières thermiques endommagées. En effet, compte tenu du coût élevé de fabrication des pièces, les aubes devraient être réparées plusieurs fois avant d’être mises au rebut. Dans ce travail, un procédé de mise en forme a été évalué dans ce sens. Il s’agit de l’électrophorèse qui est une technique bien adaptée au dépôt sur pièces complexes. En effet, d’un point de vue industriel, l’électrophorèse semble plus facile à mettre en œuvre que les procédés au trempé. L’objectif de ces investigations a donc été double : tout d’abord créer de nouveaux systèmes de barrières thermiques avec des propriétés anti-CMAS par électrophorèse puis réparer les barrières thermiques EBPVD endommagées et leur déposer une couche protectrice anti-CMAS par électrophorèse. Cet aspect « procédé » sera abordé en dernière partie de ces travaux. |
In the aeronautics sector, environmental concerns are becoming increasingly important. Engine manufacturers are looking for innovative solutions to increase efficiency while lowering costs. One solution is to increase the operating temperatures of the turbomachines to achieve these performance targets and the thermal barriers have allowed for further performance gains. The main role of the thermal barrier is to thermally insulate the metal part from the extremely aggressive and gaseous environment to which it is subjected.
Industrially, thermal barriers are realized by dry processes: APS atmospheric plasma projection and physical vapor deposition by electron beam EBPVD, both of which lead to directional microstructures (respectively lamellar and columnar). However, there is an alternative process that allows to generate non-oriented microstructures with equiax porosity: this is the sol-gel process. Different shaping techniques of the coatings are associated therewith, such as dip-coating or electrophoresis, and make it possible to elaborate thick, nanostructured coatings with controlled porosity, which induce singular thermomechanical properties, and which can be functionalized to give them additional functions. The objective is to optimize thermal conductivity and durability with the cyclic oxidation resistance. In this perspective, new thermal barrier systems synthesized by the sol-gel route from commercial powders, ceramics with various form factors and pore-forming agents have been implemented and evaluated.
However, this increase in the operating temperatures of the engines induces an increase in the temperature of the surfaces of the thermal barriers and can generate further degradations of the complete system. In fact, at high temperatures, under the working conditions, complex mixed oxides called CMAS, based on calcium, magnesium, aluminum, and silicon, are deposited on the barrier and reach their melting temperature. The molten CMAS infiltrates, then interact chemically and mechanically with the barrier. During the cooling of the system, these CMAS solidify causing thermomechanical stresses within the barrier, which may go to the delamination of the coating. To overcome these disadvantages, it is possible to develop anti-CMAS coatings capable of reacting with CMAS compounds before they have a detrimental effect on the integrity of the thermal barrier. In this study, we were particularly interested in anti-CMAS protective coatings based on yttria and pyrochlore systems, which were tested on industrial thermal barriers realized by EBPVD.
Moreover, the processes we have developed, based on the sol-gel path, allow us, because of their ease of implementation, to envisage promising prospects in terms of repair of damaged thermal barriers. Indeed, given the high cost of manufacturing parts, the blades should be repaired several times before being discarded. In this work, a shaping process has been evaluated in this direction. This is electrophoretic deposition which is a technique allowing to deposit on complex parts. Indeed, from an industrial point of view, electrophoretic deposition appears to be easier to implement than dipping processes. The objective of these investigations was therefore twofold: firstly to create new thermal barrier systems with anti-CMAS properties by electrophoretic deposition and then to repair the damaged EBPVD thermal barriers and to deposit an anti-CMAS protective layer by electrophoretic deposition. This "process" aspect will be discussed at the end of this work. |