I.2.4 La couche TGO
I.3. Procédés conventionnels d’élaboration des barrières thermiques
L'industrie aéronautique a développé essentiellement deux techniques pour l'élaboration des barrières thermiques. Il s’agit de techniques physiques, directionnelles, qui confèrent aux revêtements des morphologies totalement différentes (Figure I-3).
La première, mise au point et utilisée dès les années 1960, est la Projection Plasma ou Plasma Spray (PS). Elle a été utilisée pour produire des barrières thermiques dans les systèmes peu sollicités mécaniquement. La deuxième est le dépôt physique en phase vapeur avec évaporation sous faisceau d’électrons, communément appelée EB-PVD pour Electron Beam Physical Vapor Deposition. Apparue dans les années 1980, elle est largement utilisée pour les systèmes plus sollicités, notamment les aubes mobiles de turbines aéronautiques.
Dans le procédé plasma, le matériau à déposer est projeté sous forme de gouttelettes liquides sur le substrat. Des grains de poudre sont introduits dans une torche générant un plasma chaud. Une fois fondus, ils sont accélérés et projetés sur le substrat à revêtir placé en regard, à une vitesse de l’ordre de 100µm.min-1. Au contact du métal, les gouttelettes écrasées se solidifient par trempe thermique à une vitesse atteignant 105 K.s-1. Le revêtement obtenu consiste en un empilement irrégulier de lamelles présentant de nombreuses interfaces et microfissures dans le plan de dépôt (Figure I-3, a). Sa porosité majoritairement parallèle au substrat limite la propagation du flux thermique et lui confère ainsi de bonnes propriétés d’isolation thermique avec des conductivités thermiques inférieures à 1W.m-1.K-1 [8]. La projection plasma est destinée à élaborer des barrières thermiques d'épaisseur pouvant atteindre 500µm à 1 mm sur des pièces fixes de grandes dimensions telles que les parois de chambre de combustion ou les aubes de distribution.
Le procédé par évaporation sous faisceau d’électrons (EBPVD), quant à lui, consiste à déposer un matériau fondu, préalablement évaporé, sur le substrat préchauffé à revêtir. Le dépôt s’effectue sous vide secondaire (10-1 Pa), avec une teneur en oxygène contrôlée de sorte à atteindre la stœchiométrie de la zircone voulue. L’évaporation du matériau se fait par l’intermédiaire d’un faisceau puissant d’électrons et la condensation s’effectue au contact du substrat. Dans ce cas, les vitesses de dépôts (100 µm.h-1) sont nettement plus faibles que par projection plasma (100 µm.min-1). Les revêtements obtenus par ce procédé possèdent une structure colonnaire (Figure I-3, b) parallèle au flux de chaleur et présentent une porosité inter et intra colonnaire qui correspond respectivement à l’espace entre les colonnes et aux micropores présents dans ces dernières [9, 10, 11] Cette morphologie leur confère une meilleure accommodation des contraintes en raison de la porosité intercolonnaire au détriment de la conductivité thermique supérieure à celle obtenue par projection plasma (conductivité de l’ordre de 1,5 à 2W.m-1.K-1) en raison d’une plus grande propagation du flux de chaleur.
Superalliage Couche de liaison Barrière thermique (b) Couche de liaison (a) 50 µm Barrière thermique
Figure I-3 : Revêtements de zircone en coupe obtenus par projection plasma (a) [12] et par EBPVD (b) [11].
Aujourd’hui, l’innovation dans le domaine des barrières thermiques réside en partie dans la maîtrise de nouveaux procédés de dépôt alternatifs permettant de cumuler les avantages des deux procédés précédemment cités en limitant leurs inconvénients.
Le procédé SPPS pour Solution Precursor Plasma Sprayed, par exemple, se rapproche de la technique de projection plasma sous air (APS) présenté précédemment, mais dans ce cas, c’est une solution aqueuse de précurseur qui est injectée dans un plasma chaud. Les dépôts sur le substrat à recouvrir sont obtenus après que ces précurseurs aient subi une série de réactions physiques et chimiques. Les revêtements élaborés par cette technique sont constitués de lamelles et la présence des fissures verticales réparties de manière homogène dans toute la couche céramique les différencient de ceux issus de la projection plasma conventionnelle [13,14]. Cette morphologie semble garantir des performances thermomécaniques supérieures à celles obtenues avec le procédé APS, puisque selon Gell et al. [15] la durée de vie d’une barrière thermique sur une sous-couche de type MCrAlY est multipliée par un facteur 2,5 comparé au procédé conventionnel. Un résultat similaire est présenté par Jadhav et al. [16] qui révèlent une tenue en oxydation cyclique de 820 cycles et 40 cycles pour des revêtements issus respectivement du procédé SPPS et APS (un cycle correspondant à 45 minutes d’exposition à 1120°C puis à une trempe à l’air de 15 minutes). Ma et al. [17] montrent également l’effet bénéfique d’une telle structure dans le cas d’une barrière thermique de zircone codopée yttrium et gadolinium pour abaisser d’une part la conductivité thermique mais également augmenter la durée de vie par rapport à une barrière thermique YSZ classique élaborée soit par APS soit par EB-PVD. Ces bons résultats en oxydation cyclique sont à relier aux faibles contraintes résiduelles estimées au sein d’une barrière thermique YSZ élaborée par SPPS, prouvant ainsi que la microstructure permet d’accommoder de manière satisfaisante les contraintes thermomécaniques [18,19]
D’autres auteurs se concentrent sur le procédé de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et augmentent de manière significative la vitesse de dépôt en passant de la méthode conventionnelle (200µm/h) à la méthode CVD laser (660 µm/h) [20, 21]. Le procédé CVD utilisant des précurseurs organométallliques (MO- CVD) tels que des acétylacétonates [22] ou des β-dicétones [23,24,25] est aussi envisagé pour déposer des revêtements de type YSZ. Chevalier et al. [24] démontrent que la teneur en yttrium dans le revêtement peut être
ajustée par la température d’évaporation du précurseur d’yttrium (125°C- 150°C). Cette dernière joue également sur la structure du dépôt final laissant apparaître des fissures entre les grains pour la température d’évaporation la plus élevée. Un autre paramètre étudié par Tu et al. [26] influençant grandement la structure colonnaire des revêtements est la teneur en oxygène dans l’enceinte de réaction.
Un autre procédé également utilisé cette fois-ci en phase liquide, testé par Aruna et al. [27], est le dépôt électrophorétique pour élaborer des revêtements YSZ homogènes, lisses, non fissurés, dont l’épaisseur et la morphologie sont ajustées par le ratio acétone/éthanol constituant le milieu de dépôt.
Enfin, Monceau et al. [28] ont récemment démontré la faisabilité d’élaboration d’un système barrière thermique complet par Spark Plasma Sintering (S.P.S.) constitué par une couche YSZ poreuse parfaitement adhérente sur une sous couche γ/γ’.