Chapitre 1 : Comportement mécanique des matériau
4.3 Barrière thermique et revêtement abradable
● Barrières thermiques
Le procédé de déposition plasma sous-air, utilisé pour la réalisation des barrières thermiques, consiste à introduire des poudres du matériau constituant le revêtement dans une torche à plasma. Les poudres sont ensuite fondues ou partiellement fondues, et accélérées en direction du substrat sur lequel elles doivent être appliquées. Au contact avec le substrat les poudres fondues s’étalent et se solidifient, créant ainsi un revêtement avec une microstructure lamellaire caractéristique. Les revêtements de barrières thermiques (TBC) en céramique sont employés pour protéger les composants métalliques (notamment superalliages) dans les zones où la température et les flux de chaleur sont les plus élevés, telles que les chambres de combustion et postcombustion. Ces composants sont fabriqués en superalliages à base de nickel, dont la température maximale d’utilisation ne peut dépasser 1200°C (pour le monocristal) [8]. En fonction de l’épaisseur et de la microstructure des revêtements, l’utilisation des dépôts poreux de barrière thermique peut permettre d’abaisser considérablement la température (de 100 à 300°C) dans le cas des matériaux métalliques de base refroidis intérieurement.
Fig. 4.4: a) Photographie d’une pâle de turbine recouverte d’une barrière thermique, b) schéma de principe d’un système barrière thermique [9]
(b) (a)
Pores Inclusion d’oxyde
Particule non fondue
Substrat
Torche plasma
(b) (a)
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La couche céramique réfractaire, notée YSZ (Yttria Stabilised Zirconia), est constituée de zircone yttriée stabilisée (ZrO2+ 6-8% mas Y2O3). D’une épaisseur moyenne de 150 µm, cette couche céramique poreuse a été choisie pour sa très faible conductivité thermique (~1,5W.m- 1.K-1) et son coefficient de dilatation élevé (~10-5K-1). Elle est déposée soit par projection plasma (cas des aubes fixes déviatrices), soit par EBPVD (Electron Beam Physical Vapor Deposition) dans le cas des aubes mobiles à une température de l’ordre de 1000°C, après un préchauffage oxydant du système à 900°C [10]. Dans les chambres de combustion, la couche céramique est déposée par projection plasma. Dans la projection plasma, le matériau à déposer est projeté sous forme de gouttelettes liquides sur le substrat. De la poudre atomisée (grains de diamètres de l’ordre de 50 µm) est introduite, au moyen d’un gaz porteur, dans le jet d’une torche plasma. Les grains sont plus ou moins bien fondus, accélérés et envoyés à grande vitesse sur la surface du substrat placé en regard. Les gouttes s’écrasent sur le métal et se solidifient très rapidement au contact de celui-ci, elles subissent une trempe dont la vitesse peut atteindre 10-5 K.s-1.
La vitesse de dépôt est très rapide : de l’ordre de 100 µm/min. Le refroidissement s’accompagne d’un rétreint qui est accommodé par une fissuration. C’est pour cela que les revêtements réalisés ont une structure lamellaire poreuse : les gouttes déposées sur le substrat forment en se solidifiant un empilement irrégulier de disques plus ou moins jointifs ; la porosité qui en résulte est essentiellement orientée selon des surfaces parallèles à l’interface céramique/métal (figure 4.5), ce qui confère aux revêtements projetés plasma de très bonnes propriétés d’isolation thermique (conductivité thermique inférieure à 1 W. m-1K-1) [10]
Fig. 4.5: Microstructure lamellaire caractéristique des barrières thermiques déposées par projection plasma MP200 AMT-AG
De plus, n’importe quel matériau peut être déposé par projection plasma à condition qu’il puisse exister sous forme de poudre (diamètre de l’ordre de 50 à 100 µm) et que son point de fusion ne soit pas trop proche de son point d’évaporation. Par contre, d’un point de vue thermomécanique, cette structure lamellaire favorise une dégradation en cyclage thermique par fissuration à proximité et parallèlement à l’interface avec la sous-couche [10].
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En effet, les contraintes étant principalement parallèles au substrat (contraintes pouvant être dues à la dilatation thermique, à l’évolution structurale et à la rotation des pièces en service), les fissures se propagent facilement et rapidement entre lamelles. Néanmoins, il est possible d’améliorer cette résistance en cyclage en créant des fissures verticales dans le dépôt (ce que l’on appelle les "dense vertically cracked coatings") [10].
● Matériaux abradables
Les matériaux abradables sont utilisés dans l’industrie pour minimiser le jeu entre les extrémités d’ailette et le carter, ce qui a pour effet de diminuer la consommation de carburant en augmentant le rendement du moteur. Pour obtenir le jeu le plus faible possible, le principe consiste à utiliser les ailettes elles-mêmes pour enlever une épaisseur minimale de revêtement. Ces revêtements sont fabriqués par projection thermique d’une poudre métallique composite mélangée à un dislocateur afin de favoriser la fragmentation lors d’un contact. Le résultat est un matériau hétérogène possédant une distribution aléatoire de matière. Ce matériau doit être optimisé pour éviter l’usure de l’ailette d’une part et pour prévenir l’érosion du revêtement par les gaz chargés de particules d’autre part. Le joint abradable a été introduit dans les années 60 comme solution technologique au problème d’étanchéité rotor-stator dans les turboréacteurs d’avion [11]. Suivant l’étage dans lequel il est installé, il permet d’améliorer le rendement de 0,5 à 1% [12]. Son utilisation est aujourd’hui systématique sur la grande majorité des moteurs d’avions, et s’est généralisée depuis les années 1980 aux turbines à gaz de centrales électriques, aux turbos compresseurs pour automobiles et autres compresseurs et pompes [13]. Placé sur les parois intérieures du stator (figure 4.6) en couche de quelques millimètres d’épaisseur, le revêtement abradable est conçu pour être sacrifié en cas de contact avec les ailettes mobiles situées en vis-à-vis.
Fig. 4.6: Localisation du joint abradable au droit des aubes
De manière générale, chaque phase d’un abradable (figure 4.7) contribue aux fonctionnalités de ce matériau composite[14,15] : la matrice métallique lui confère rigidité et résistance à la corrosion ; la phase non métallique, constituée d’un lubrifiant solide, limite les frottements au contact des extrémités d’aubes contre le revêtement ; les porosités rendent le matériau friable, en favorisant la décohésion des particules au moment du contact [16]
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136 Fig. 4.7: Micrographie typique de revêtement abradable AlSi-hBN [17]