Vers mes travaux de thèse

Cette thèse prend la suite des travaux menés au sein du laboratoire CIRIMAT sur l’application barrière thermique.

Elle se concentre sur plusieurs axes différents mais indissociables :

- L’obtention de barrières thermiques réalisées par voie sol-gel à partir de poudre commerciale et disposant d’une bonne tenue en oxydation cyclique pouvant être similaire à celle des barrières thermiques EBPVD,

- L’étude et la compréhension des mécanismes anti-CMAS de certaines compositions pouvant protéger les barrières thermiques,

- La réparation de barrières thermiques endommagées par le biais d’une étude paramétrique réalisée par électrophorèse sur substrat métallique puis sur barrière thermique EBPVD,

- L’élaboration de revêtements anti-CMAS par électrophorèse sur des barrières thermiques EBPVD, puis leurs caractérisations par des attaques CMAS,

- L’étude des mécanismes anti-CMAS dans le cadre d’attaques réalisées à partir d’un sable réel et l’optimisation de la composition anti-CMAS.

Toutefois, avant de détailler ces divers axes développés pendant ma thèse, voici les travaux réalisés précédemment au CIRIMAT et brièvement résumés ci-dessous.

1) Résumé des travaux précédents du CIRIMAT sur l’application barrière

thermique

Dans cette partie, voici un bref aperçu des différents travaux menés au laboratoire CIRIMAT sur les applications barrière thermique.

Viazzi [39], [211], [242], [243] a été la première à travailler sur l’élaboration de barrières thermiques par voie sol-gel au sein du laboratoire. Elle a mis en place les premiers protocoles de mise en forme de revêtements céramiques en zircone yttriée. Elle a également réussi à synthétiser par voie sol-gel de la zircone yttriée stabilisée. De plus, Viazzi a travaillé sur la compréhension et l’influence des phases allotropiques de la zircone yttriée stabilisée sur les propriétés thermiques et mécaniques. Elle s’est surtout intéressée à la formation de dépôts par dip-coating à partir de xérogel de zircone yttriée stabilisée. Elle s’est aussi penchée sur des caractérisations en oxydation cyclique de certains de ces revêtements.

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Par la suite, Fenech [38], [244], a continué à optimiser le procédé d’élaboration par voie sol-gel de barrières thermiques, notamment en s’intéressant à l’influence du mode de séchage et du traitement thermique de consolidation des revêtements. Ainsi, elle a réussi à synthétiser de l’aérogel dans des conditions supercritiques, afin de diminuer la taille des grains de zircone yttriée stabilisée tout en obtenant une microstructure poreuse. Grâce à cette avancée, le sol chargé a été mieux stabilisé et donc l’homogénéité des revêtements a été améliorée. De plus, elle a mis en forme des revêtements épais, multicouches et fonctionnalisés par des terres rares pour apporter des propriétés supplémentaires aux barrières thermiques comme par exemple une amélioration de l’isolation thermique. Elle a également abordé l’aspect anti- CMAS des barrières thermiques.

Pin [32], [245]–[247] a, elle-aussi, apporté une nouvelle dimension au sujet en développant des barrières thermiques réalisées à partir d’aérogel ayant de très bonnes propriétés en oxydation cyclique. Une étape de pré-oxydation du substrat a été ajoutée au protocole d’élaboration de barrière thermique, afin de réaliser, sur la couche de liaison, une couche d’oxyde d’aluminium pour obtenir une meilleure accommodation des contraintes thermomécaniques. Afin d’obtenir des résultats optimaux en oxydation cyclique, elle a démontré l’intérêt d’élaborer des barrières thermiques ayant une pré-fissuration contrôlée, puis renforcée par un colmatage avec de la zircone yttriée stabilisée par spray, finalement suivi par un frittage dans des conditions optimisées. Au final, ces systèmes réalisés par voie sol-gel ont des durées de vie en oxydation cyclique semblable à celles des barrières thermiques réalisées par EBPVD. En parallèle, elle a fonctionnalisé les barrières sol-gel avec des traceurs thermiques comme le samarium et l’erbium pour déterminer la température par mesure de fluorescence en surface et au sein d’une barrière thermique.

Pujol [1], [117] s’est penché sur l’ajout de propriétés anti-CMAS à des barrières thermiques. Plusieurs systèmes ont pu être mis en évidence : le zirconate de gadolinium, un système mixte d’aluminium et de titane, mais surtout le système d’yttrine qui a démontré d’excellentes propriétés anti-CMAS. Ainsi, un revêtement d’yttrine réalisé par voie sol-gel et déposé par dip-coating sur des barrières thermiques (EBPVD ou issues de le voie sol-gel) a été fait. Des attaques CMAS ont été faites pour tester les capacités anti-CMAS de ce revêtement et une étude sur les interactions entre l’yttrine et les CMAS a été faite. En parallèle, il a aussi réussi à réparer, par électrophorèse, des barrières thermiques EBPVD ayant des défauts calibrés et des manques de matières. Au final, il a démontré la faisabilité de ce procédé pour réaliser une barrière thermique sur une aube de turbine. Il a également travaillé sur la formulation des sols chargés afin de respecter les nouvelles normes environnementales.

Blas [40] s’est concentré sur l’étude du comportement thermomécanique en oxydation cyclique de barrières thermiques synthétisées à partir d’aérogel par voie sol-gel et par EBPVD. Il a mis en évidence les mécanismes de dégradations de ces systèmes lors de l’oxydation cyclique. Il s’est penché sur l’influence des dispersants utilisés lors de l’élaboration des barrières thermiques par voie sol-gel, mais aussi sur l’influence du colmatage sur la durée de vie de ces systèmes.

2) Axe 1 : Barrières thermiques à hautes performances élaborées par voie

sol-gel à partir de poudres commerciales (Chapitre 3)

Dans le cadre de ma thèse, l’objectifde l’axe 1 est de réaliser par voie sol-gel des barrières thermiques à partir de poudres commerciales, puis de déterminer leur tenue thermomécanique et leur durée de vie en oxydation cyclique.

Jusqu’à présent les barrières thermiques réalisées au laboratoire CIRIMAT et caractérisées en oxydation cyclique, ont été élaborées à partir d’aérogel. Elles présentaient de très bonnes durées de vie avec certains systèmes dépassant les 1000 cycles à 1100°C

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[32], [40]. Bien que cette technologie donne de très bons résultats, la mise en forme de l’aérogel présente des inconvénients d’un point de vue industriel : une mise en forme délicate et assez longue, de faible rendement. Par conséquent, il a été nécessaire de trouver des poudres commerciales de zircone yttriée stabilisée pouvant permettre l’élaboration de barrières thermiques. En effet, cette thèse se fait en partenariat avec le groupe industriel Safran et la DGA, ainsi, il est impératif de trouver une source pérenne d’approvisionnement de zircone yttriée stabilisée.

L’objectif est de réaliser des barrières thermiques sol-gel avec une épaisseur comprise entre 150 et 200 µm, puis de les caractériser en oxydation cyclique. Cette caractérisation se fera à partir d’un banc d’oxydation cyclique, appelé le Grand Banc d’Oxydation Cyclique ou GBOC, présent au sein du laboratoire CIRIMAT dans l’équipe MEMO. Un cycle correspond à 1h à 1100 °C suivi de 15 min de refroidissement à température ambiante sous une soufflerie d’air. Les échantillons sont disposés verticalement sur des porte-échantillons. Une description plus détaillée de ce banc sera donnée dans le Chapitre 3. Les barrières thermiques formées devront avoir une durée de vie similaire aux systèmes industriels actuellement utilisés : les barrières thermiques EBPVD, i.e. environ 1000 cycles.

Les formulations et les protocoles d’élaboration (dépôt, traitement thermique) devront être adaptés aux poudres sélectionnées.

Parmi toutes les poudres de zircone yttriée stabilisée, il a été décidé d’utiliser la poudre commerciale de la marque Tosoh qui présente une morphologie sphérique sans porosité (cf. Figure 87).

Or la poudre utilisée, jusqu’à présent pour réaliser les barrières thermiques, est de l’aérogel présentant une porosité importante (cf. Figure 87).

Comme indiqué plus haut, le protocole d’élaboration des barrières thermiques va devoir être adapté afin de pouvoir obtenir des revêtements aussi poreux que dans le cas des précédentes élaborations. En effet, cette porosité sera nécessaire pour optimiser l’accommodation des contraintes en oxydation cyclique.

L’utilisation de fibres céramiques en complément de la poudre Tosoh répond à un double objectif: augmenter la porosité du revêtement et augmenter sa ténacité.

Les fibres utilisées dans le cadre de cette étude sont des fibres de zircone yttriée également stabilisée qui seront décrites dans le Chapitre 2. Elles permettent, grâce à leur forme, leur porosité interne, leur enchevêtrement au sein de la matrice à particules sphériques,

a) b)

Figure 87 : Microscopies MET a) poudre commerciale d’YSZ de la marque Tosoh à morphologie sphérique, b) Aérogel

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d’optimiser la porosité pour avoir une meilleure accommodation des contraintes en oxydation cyclique et donc une durée de vie optimisée.

Dans notre étude, elles pourraient permettre, grâce à leur enchevêtrement au sein de la matrice céramique, de générer une porosité conséquente, ainsi qu’une bonne accommodation des contraintes thermomécaniques en oxydation cyclique et, pour finir, une faible conductivité thermique. Par conséquent, les barrières thermiques sol-gel seront élaborées à partir de poudres commerciales ayant différents facteurs de formes : des particules à morphologie sphérique et des fibres. L’influence du taux de fibres et l’effet de la température de frittage sur la durée de vie en oxydation cyclique seront étudiés afin d’obtenir le système le plus adéquat.

3) Axe 2 : Revêtements anti-CMAS élaborés sur des barrières thermiques et

compréhension des mécanismes d’action anti-CMAS (Chapitre 4)

Trois systèmes anti-CMAS : l’yttrine, le zirconate de gadolinium et le zirconate d’yttrium, seront étudiés afin de déterminer les mécanismes d’action anti-CMAS.

Une étude étape par étape, comme celle réalisée par Pujol au cours de sa thèse [1], [117], [193], sera abordée en se consacrant à l’analyse de ces anti-CMAS sous forme de poudres, de pastilles et de revêtements vis-à-vis d’attaques faites à partir d’un CMAS modèle. Plusieurs temps et températures d’interactions avec les CMAS seront étudiés afin d’analyser les mécanismes mis en jeu lors d’une attaque par les CMAS à la fois en régime transitoire et une fois l’équilibre atteint.

En parallèle, une étude sera mise en œuvre sur l’optimisation de l’élaboration des revêtements anti-CMAS par voie sol-gel.

4) Axe 3 : Réparation des barrières thermiques par électrophorèse (Chapitre

5)

Dans sa thèse, Pujol [1] a travaillé sur la réparation de barrières thermiques par électrophorèse à partir de poudre commerciale de zircone yttriée stabilisée. Il a aussi réussi à élaborer une barrière thermique sur une pièce réelle : une aube de turbine.

L’objectif est ici d’optimiser la porosité du revêtement afin d’obtenir une bonne accommodation des contraintes thermomécaniques, et aussi d’augmenter l’épaisseur du revêtement jusqu’à 150 µm (pour le momentl’épaisseur était de 50 µm).

Ainsi, une étude paramétrique sera réalisée sur l’électrophorèse afin d’élaborer des revêtements sur des pièces métalliques. Ensuite, afin de préparer le dernier axe, une deuxième étude devra être menée sur la réalisation de revêtements céramiques sur des barrières thermiques EBPVD en vue d’une future application anti-CMAS.

5) Axe 4 : Caractérisation d’un système « barrières thermiques » avec des

propriétés anti-CMAS en conditions réelles (Chapitre 5)

Ce dernier chapitre cherche à compiler les divers résultats obtenus dans cette thèse et conclure en proposant une barrière thermique ayant des propriétés anti-CMAS élaborée par électrophorèse.

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