Vers mes travaux de thèse

L’enjeu majeur de cette thèse est de pouvoir contrôler, dans son intégralité, le processus d’élaboration par voie sol-gel de barrières thermiques constituées de zircone yttriée mais également de zircone dopée avec des oxydes appartenant à la famille des lanthanides (Figure I-17). L’objectif est double, puisqu’il s’agit dans un premier temps d’optimiser les barrières thermiques monocouche YSZ mais également de proposer des systèmes barrières thermiques architecturés possédant, du fait de la nature des éléments qui les composent, de meilleures propriétés d’isolation thermique.

Les travaux portant sur l’amélioration des propriétés des revêtements monocouche de zircone yttriée s’inscrivent dans la continuité de ceux menés par Céline Viazzi [92] qui a mis en évidence l’intérêt de disposer de particules finement divisées pour pouvoir assurer une bonne adhérence sur le substrat et un parfait lissage de la surface à recouvrir, mais aussi pour garantir une faible rugosité de surface de la couche céramique. Pour y parvenir, nous avons fait le choix dans ce travail d’utiliser le séchage dans les conditions supercritiques du solvant pour sécher les gels précurseurs des poudres de zircone. En effet, nous avons vu lors de l’étude bibliographique, que contrairement au simple séchage à la pression atmosphérique, le séchage supercritique permet en général d’obtenir des aérogels très peu denses et qui ont pour particularité de conserver la structure aérée du gel de départ tout en présentant des tailles de particules bien inférieures à celles des xérogels. On suppose ainsi que les problèmes d’agglomération et de sédimentation rencontrés avec un sol chargé en poudre de xérogel pourront être évités ou du moins fortement limités.

Une étude préliminaire sera donc consacrée à la mise en place de ce nouveau mode de séchage en autoclave suivie par une étude de l’influence de la teneur en dopant sur la structure et la morphologie des poudres d’aérogel de zircone yttriée. Elle a pour but de définir les conditions d’obtention de poudres constituées après calcination sous air, de la phase (t’) ainsi que les caractéristiques granulométriques et morphologiques les mieux adaptées à la constitution d’un sol chargé le plus stable. Cette dernière étape est en effet primordiale pour garantir des revêtements homogènes, lisses et épais. Cet objectif est en définitive commun aux élaborateurs de revêtements céramiques par voie liquide. A titre d’exemple, pour W. Lan [95] il a été important d’étudier la fissuration des dépôts due au séchage de la suspension d’agglomérats de particules YSZ sur le substrat recouvert. D’autres travaux portent sur un procédé qui vise à accroître la tenue du revêtement en élaborant des suspensions composées de particules micrométriques (appelées briques) (10-60µm) et d’une suspension de nanoparticules de zircone yttriée [96]. Après traitement thermique du revêtement, les particules, connectées entre elles grâce au frittage de la suspension qui joue le rôle de ciment, favorisent l’obtention de revêtements épais (100 µm). Ces mêmes auteurs montrent que par l’association d’une étape d’infiltration sous pression des revêtements, dans leur porosité, il est possible d’atteindre des épaisseurs de revêtements de 420µm [97]. Cette approche « brique –ciment » n’est pas sans rappeler celle qui va être mise en œuvre par la voie sol-gel pour

favoriser la consolidation thermique du dépôt final, à savoir l’association de particules de zircone dans un sol actif de même nature qui a pour avantage de créer des ponts de frittage entre les particules lors du traitement thermique.

Le second axe de travail concerne l’élaboration de revêtements céramiques isolants multicouche, qui nécessite l’utilisation de nouveaux dopants tels que des oxydes appartenant à la famille des lanthanides (Figure I-18). Nous envisageons en effet dans ce type de système multicouche, une couche YSZ (phase t’) de coefficient de dilatation thermique proche de celui du substrat, située à la surface de la sous-couche de liaison (NiAlPt ou NiCrAlY) et facilitant l’accommodation des contraintes, avec en surface une couche de conductivité thermique la plus faible possible et jouant le rôle de bouclier thermique en abaissant le transfert thermique vers le superalliage. Pour ce faire, les oxydes retenus sont les oxydes de lanthane, de samarium et d’erbium que la littérature présente comme de bons candidats pour abaisser la conductivité thermique de la zircone. Le lanthane et le samarium ont été choisis car ils possèdent un rayon ionique supérieur à celui de l’yttrium. Plus particulièrement, le lanthane est un candidat de choix pour disposer de la phase pyrochlore La2Zr2O7 isolante. Pour ce qui est de l’erbium, le rayon ionique légèrement inférieur à celui de l’yttrium est largement compensé par une masse molaire deux fois plus élevée qui doit également contribuer à une augmentation des propriétés d’isolation thermique. Il faut préciser cependant que ces zircones dopées avec des terres rares peuvent présenter, pour des températures et des teneurs en dopants données, une structure pyrochlore cubique de type M2Zr2O7 (M=terre rare) qui n’est pas la structure exigée par le cahier des charges de notre étude (au moins à l’interface avec le substrat). Comme cette zircone dopée est destinée à être mise en forme en surface du système bi-couche de barrière thermique envisagé, la phase métastable quadratique ne semble pas indispensable à ce niveau. En plus de cela, comme ces oxydes à structure pyrochlore M2Zr2O7 sont la caractéristique de bons isolants, il paraît tout à fait intéressant de les étudier pour des applications de type barrière thermique.

L’élaboration de tels systèmes céramiques demande l’élaboration préalable des poudres de zircone dopées avec des terres rares. Le but est de pouvoir étudier par la suite leurs propriétés cristallographiques, structurales et morphologiques en fonction de la nature et de la teneur en dopant afin de sélectionner celles qui seront utilisées pour la mise en forme des barrières thermiques. Des mesures de diffusivité thermique seront également effectuées sur les matériaux sélectionnés pour s’assurer des propriétés d’isolation intéressantes qu’ils doivent posséder pour jouer le rôle de bouclier thermique. De même, des mesures de coefficients de dilatation thermique seront nécessaires pour connaître le comportement thermomécanique de ces matériaux comparé au superalliage à base de nickel.

Enfin, il est également envisagé d’étudier deux propriétés d’usage pour certaines barrières thermiques sol-gel, qui sont l’oxydation cyclique et l’exposition aux CMAS afin de comprendre dans leur globalité les mécanismes de dégradation qui peuvent avoir lieu lors de ces endommagements.

Poudre référence (voie xérogel) YSZ - 9,7%mol.YO_1,5

Phase t’ Poudres de zircone dopée La, Sm, Er

ZrO2– REO1,5 avec RE = La, Sm, Er

Poudre d’aérogel YSZ (9,7%mol.YO_1,5) 9,7 AYSZ

2 - Formulation de sols chargés en poudres sélectionnées

3 - Elaboration de BT par dip-coating

4 – Propriétés d’usage (Oxydation Cyclique, CMAS)

Voie

Voie xxéérogelrogel Voie aVoie aéérogelrogel

 Optimisation des monocouches YSZ  Augmentation de

l’isolation thermique des BT

1-Elaboration & Caractérisation des poudres de zircone dopée

Superalliage base nickel Couche de liaison + TGO

REZ