Barrières thermiques par projection plasma de suspensions : développement et caractérisation de microstructures à faible conductivité thermique

par Benjamin Bernard

Thèse de doctorat en Mécanique et énergétique

Sous la direction de Benjamin Rémy et de Alain Degiovanni.

Le président du jury était Michel Vardelle.

Le jury était composé de Luc Bianchi, Aurélie Quet, Frédéric Schuster.

Les rapporteurs étaient Jean-Luc Battaglia, Daniel Monceau.


  • Résumé

    L’augmentation des températures de fonctionnement des turboréacteurs est un axe de développement privilégié dans l’industrie aéronautique. Une solution est l’amélioration des systèmes barrières thermiques. Ce travail de thèse s’intéresse au procédé de projection plasma de suspensions (SPS) qui permet d’envisager une amélioration significative des performances pour les prochaines générations de barrières thermiques, comparé au procédé d’évaporation sous faisceau d’électrons (EB-PVD). Le procédé SPS a en effet démontré une capacité à générer des microstructures colonnaires qui présentent un intérêt pour l’accommodation des contraintes thermo-mécaniques. Une étude microstructurale a conduit à l’identification des paramètres influant sur les variations de morphologies des revêtements (taille de colonnes, distribution de taille, compacité). Deux nuances optimisées en zircone yttriée (YSZ), nommées colonnaire et colonnaire compacte, ont été caractérisées de façon approfondie afin de déterminer les bénéfices du procédé SPS. Ces nuances se caractérisent par une conductivité thermique inférieure à 1 W.m-1.K-1, sur une plage de température allant de 25 à 1100 °C, soit des valeurs avantageuses par rapport à celles des revêtements EB-PVD (1,3 – 1,5 W.m-1.K-1). La durée de vie des dépôts SPS, estimée par cyclage thermique, est au moins équivalente à un dépôt YSZ réalisé par EB-PVD et cyclé en même temps. Le résultat le plus élevé obtenu, supérieur à 2000 cycles, est particulièrement prometteur. La capacité de fonctionnalisation du procédé SPS a par ailleurs permis la réalisation de systèmes multifonctionnels comprenant un dépôt colonnaire YSZ et un dépôt homogène Gd2Zr2O7 en surface. Cette architecture bicouche a pour objectif de pallier les infiltrations chimiques de type CMAS (CaO–MgO–Al2O3–SiO2) qui constituent un frein pour l’augmentation de la température de fonctionnement. Le caractère anti-CMAS du matériau Gd2Zr2O7 mis en forme par SPS a été évalué jusqu’à 1300 °C.

  • Titre traduit

    Thermal barrier coatings performed by suspension plasma spraying : Development and characterization of low thermal conductivity microstructures


  • Résumé

    The increase of operating temperature of gas turbine engines is an issue of interest for the aeronautic industry. A solution is the enhancement of thermal insulation properties of thermal barrier coatings (TBCs). The present work is related to suspension plasma spraying process (SPS) that allows to consider significant improvements for the next generation of TBC systems, compared to the currently used process, namely electron beam physical vapor deposition (EB-PVD). Indeed, SPS process can produce columnar microstructures able to provide high thermo-mechanical compliance. A microstructural study led to identify parameters which impacted the coating morphology (column size, distribution, and compaction). Two optimized yttria-stabilized zirconia (YSZ) microstructures were carefully characterized to highlight SPS process advantages. Low thermal conductivities (< 1 W.m-1.K-1) were obtained within a large temperature range (25 °C – 1100 °C), compared to EB-PVD YSZ coatings (1,3 – 1,5 W.m-1.K-1). Thermal lifetime was estimated thanks to thermal cyclic fatigue tests. A similar level of thermal lifetime was reached with SPS coatings compared to EB-PVD one. Some SPS columnar coatings even showed more than 2000 cycles to failure. The ability of SPS to perform multifunctional systems, including a YSZ columnar structure with a homogeneous Gd2Zr2O7 coating on the top, was investigated. This architecture must provide a chemical protection to CMAS (CaO–MgO–Al2O3–SiO2) aggressions. These contaminants would impede the increase of temperature in next generation of gas turbine engines. The anti-CMAS behavior was assessed for SPS Gd2Zr2O7 coatings until 1300 °C.


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