Mise en œuvre sur substrats métalliques de revêtements monocouche et d’architectures de
III. Présentation des revêtements architecturés de zircone substituée terres rares sur substrats métalliques
III.1. Revêtements bicouches
III.1.1. Protocole de mise en forme
Un des principaux objectifs de ces travaux de thèse consiste à démontrer la faisabilité d’élaboration de revêtements bicouches par la voie sol-gel. La mise en œuvre des revêtements architecturés bifonctionnels nécessite plusieurs étapes qui sont illustrées sur la Figure IV-37.
La première est le dépôt d’une couche céramique YSZ interfaciale. Elle débute par le dépôt d’une couche de sol YSZ (non chargé) sur le substrat métallique, afin de créer une meilleure affinité entre le métal et la couche céramique. Après le séchage de cette « précouche » à la température ambiante, les trempages-retraits dans un sol chargé en poudre YSZ issue de la voie aérogel (A500, A700, A950) sont multipliés, en imposant une étape de séchage entre chaque dépôt à l’air ambiant dans une enceinte protégée de l’humidité extérieure. L’ensemble (couche céramique YSZ + substrat) est ensuite calciné à 950°C pendant 2 heures. Pour cette première couche, nous cherchons à élaborer un revêtement épais (d’une épaisseur moyenne de l’ordre de 100µm) qui peut présenter un faïençage favorable à l’ancrage mécanique de la couche épaisse et de nature différente déposée dans une deuxième étape, mais également compatible avec une meilleure accommodation des contraintes thermomécaniques en cyclage thermique (Figure IV-38).
La deuxième étape est la mise en œuvre de la couche isolante de zircone dopée terre rare, en surface du revêtement YSZ consolidé thermiquement. Avant de passer à la deuxième étape qui consiste à déposer une couche épaisse isolante de zircone dopée terre rare, la couche épaisse interfaciale YSZ est préalablement imprégnée d’un sol YSZ non chargé puis séché à 100°C pendant 1 heure. Le but est de combler partiellement la porosité de la surface et de limiter l’imprégnation capillaire de celle-ci par la phase liquide du sol chargé dopé terre rare déposé dans la deuxième étape. Les trempage–retraits à partir d’un sol chargé en zircone dopée lanthanide se succèdent ensuite pour obtenir la couche céramique épaisse isolante. La totalité du système (bicouche céramique/substrat) est alors consolidée thermiquement à 1100°C pendant 1 heure. Cette température du traitement final a été choisie en vue de stabiliser le système bicouche céramique/substrat avant de futurs tests d’oxydation cycliques effectués à cette température.
Substrat Couche YSZ
Précouche de sol non chargé YSZ (9,7%mol.YO1,5)
1- Couche interfaciale YSZ (9,7%mol.YO1,5)
2- Traitement thermique sous air à 950°C pendant 2 heures
Substrat Couche YSZ
Substrat Couche YSZ
3- Infiltration d’une précouche de sol YSZ + étuvage à 100°C Fissuration de la couche YSZ
Substrat Couche YSZ Couche REZ
4- Couche superficielle isolante de zircone dopée terre rare 5- Traitement thermique sous air
à 1100°C pendant 1 heure Substrat
Couche YSZ Couche REZ Revêtement Sol-Gel Bicouche
Figure IV-37 : Schéma de principe décrivant le protocole opératoire utilisé pour la mise en forme des revêtements sol-gel bicouche.
2 mm
III.1.2. Analyse microscopique
Dans les revêtements bicouches élaborés, les couches en extrême surface sont constituées de poudre de zircone dopée samarium à une teneur en dopant égale à 30%mol (30 SZ), qui présentent les meilleures propriétés d’isolation thermique (cf. chapitre III, paragraphe III). Dans tous les cas, les revêtements obtenus sont blancs, homogènes, lisses en surface et totalement adhérents. La Figure IV-39 regroupe des micrographies MEB d’un revêtement bicouche composé d’une couche de zircone yttriée (poudre A700) sur laquelle est déposée la couche isolante constituée de zircone dopée 30%mol.SmO1,5 (poudre 30 SZ). Le système entier est traité thermiquement à 1100°C pendant 1 heure après que la couche de zircone yttriée A700 ait subi une consolidation thermique à 950°C pendant 2 heures. Une analyse EDX, couplée à l’analyse microscopique a permis d’établir une cartographie de composition du système céramique (Figure IV-40). Elle révèle une interface entre les couches céramiques bien définie mais également adhérente à la couche YSZ sous-jacente, malgré l’opération de découpe et de polissage de l’échantillon observé. Ce premier résultat d’élaboration de revêtement bicouche est très encourageant puisqu’il montre que le protocole choisi permet d’obtenir des épaisseurs de revêtement importantes pouvant atteindre jusqu’à 200µm avec une bonne adhérence inter-couches et une faible fissuration. Sur cette même micrographie, nous pouvons également constater que le système présente une surface relativement lisse.
Un revêtement bicouche de morphologie similaire est obtenu dans le cas où la couche YSZ est constituée de poudre d’aérogel A500 avec une porosité de l’ordre de 8%, comme cela est observé sur la Figure IV-41. Par multiplication des étapes de trempage-retrait, nous montrons ainsi qu’il est possible d’atteindre des épaisseurs de revêtement très importantes (de l’ordre de 400µm), ce qui est très prometteur pour les futures applications comme barrière thermique.
En revanche, les revêtements bicouche élaborés à partir de poudre YSZ de type A950 et de poudre 30 SZ n’ont pas résisté au traitement thermique de 1h à 1100°C, et se sont totalement désolidarisés de la sous- couche (Ni,Pt)/Al en sortie du four. Les revêtements monocouche obtenus à partir de la poudre A950, rappelons- le, sont denses contrairement à ceux obtenus à partir des poudres A500 et A700. Nous pouvons donc supposer que l’accommodation des contraintes, rendue possible dans le cas de revêtements interfaciaux poreux élaborés à partir de poudres A500 et A700, est ici limitée par la superposition de deux couches céramiques denses.
Figure IV-39 : Vue en coupe d’un revêtement bicouche 30SZ/ A700 sur un système (NiPt)Al/AM1. Agrandissement sur la zone interfaciale des couches céramiques.
200 µm
Zr Y Sm
200 µm 200 µm
Figure IV-40 : Analyse EDX du revêtement bicouche 30SZ/A700 : cartographie des éléments constituant le système barrière thermique.
500 µm ZrO2+ 30% mol. SmO1,5(30 SZ)
400 µm
ZrO2+ 9,7% mol. YO1,5 (A500)
Figure IV-41 : Vue en coupe d’un revêtement bicouche 30SZ/A500 sur un système (NiPt)Al/AM1. 200 µ m ZrO 2+ 30% mol. SmO1,5 (30 SZ) 210 µm 50 µm ZrO 2+ 9,7% mol. YO1,5 (A700) (NiPt)Al/ AM1