Simulation du comportement des barrières thermiques déposées par projection thermique

Simulation of the behaviour of the thermal barriers deposited by thermal plasma spraying

• Auteur / Autrice : Rachida Terki
• Direction : Hafid Aourag
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Besançon en cotutelle avec Belfort-Montbéliard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxyde de hafnium

Zircone

Pérovskites

Matériaux

Résumé

Le concept de barrière thermique (BT) est un objectif majeur dans le développement des parties chaudes des turbines à gaz. A l'heure actuelle, les systèmes les plus performants sont constitués de revêtements de zircone partiellement stabilisée à l'yttrine. Cependant l'altération des propriétés thermomécaniques du revêtement en service, incite à l'exploration de nouvelles pistes susceptibles de fournir une alternative à la zircone yttriée. C'est pourquoi, dans le cadre de cette thèse, nous avons envisagé d'étudier une série de matériaux céramiques, considérés comme candidats pour cette application. L'objectif principal est alors de proposer de nouveaux matériaux pour les revêtements (BT) de qualité globale égale ou supérieure à celle obtenue jusqu'à maintenant. L'outil utilisé est la simulation numérique qui permet d'observer, aussi finement que possible, le comportement de la matière à l'échelle désirée. Pour notre étude, nous avons choisi comme matériaux, la zircone pure et son homologue l'hafnie, le silicate de zirconium ainsi que les composés de structures pérovskite et pyrochlore. L'approche ab-initio utilisée est la méthode des ondes planes linéairement augmentée à tout électron (FP-LAPW). Globalement, celle-ci a mis en évidence l'influence du mécanisme de liaison sur les propriétés mécaniques des différents matériaux. Pour traiter les effets vibrationnelles, nous avons opter pour le modèle quasi-harmonique de Debye. Cette nouvelle approche a permis de suivre l'évolution des différentes propriétés physico-chimiques en fonction de la température. Nos travaux indiquent principalement que le pyrohafnate est le meilleur candidat pour les barrières thermiques.

For the application as a thermal barrier coating (TBC), the partially stabilized zirconia approaches some limits of performance which hardly can be overcome in the near future. Considerable effort is being invested, therefore, in identifying new materials with better performance than the current industry standard. Intuitive arguments based on crystallography and simulation may lead most rapidly to the development of new TBC materials. In this work, we have studied the physical properties of some ceramics that can be used in TBC system, such as : perovskite and pyrochlore compounds, zirconia and hafnia as well as zircon. The full-potential linearized augmented plane wave (FPLAPW) method is used to investigated the structural and electronic properties, giving more insight on the mechanical behaviour of these materials. The quasi-harmonic Debye model is applied to determine the thermal properties such as temperature dependence of bulk modulus, thermal expansion coefficient, specific heats at constant volume and pressure. Our results show mainly that lanthanum pyrohafnate is the best candidate for application as TBC.