Functionalization of aeronautical thermal barrier systems elaborated by slurry (FONBAT)

par Benjamin Grégoire

Thèse de doctorat en Chimie des matériaux

Sous la direction de Fernando Pedraza Diaz et de Gilles Bonnet.

  • Titre traduit

    Fonctionnalisation des barrières thermiques aéronautiques élaborées par barbotines (FONBAT)


  • Résumé

    La sélection des matériaux utilisés dans les moteurs aéronautiques est un enjeu majeur pour assurer la sécurité des passagers, optimiser les performances de l’avion et maîtriser les coûts. Dans les parties les plus chaudes des moteurs (i.e. chambre de combustion et turbine), les pièces sont généralement constituées de superalliages à base nickel en raison de leurs excellentes propriétés mécaniques à haute température. Vulnérables aux phénomènes de corrosion et d’oxydation à haute température, les superalliages doivent la plupart du temps être revêtus afin de prolonger leur durée de vie (ingénierie de surface). La composition chimique et l’architecture des revêtements sont alors adaptées en fonction du régime de température et des phénomènes de dégradation rencontrés (i.e. corrosion à chaud, oxydation et/ou érosion). En vue de répondre aux nouvelles réglementations environnementales, de nouvelles voies de synthèse et de fonctionnalisation sont à l’étude comme alternatives aux procédés industriels actuels. Dans le cadre du projet Européen « PARTICOAT », le LaSIE a démontré la faisabilité d’élaborer des systèmes barrières thermiques complets (couche de diffusion + barrière thermique) en une seule étape à partir de barbotines (« slurries ») à base aqueuse contenant des microparticules d’Al. Dans cette étude, l’ajout de Cr comme dopant a été étudié. L’addition de Cr a permis d’abaisser l’activité de l’Al lors de l’étape d’aluminisation et de limiter les réactions exothermiques entre Al et substrat à base de nickel. L’optimisation des ratios entre Al et Cr a permis d’obtenir différentes microstructures de revêtement. Diverses architectures de dépôts ont également pu être testées grâce à la souplesse d’élaboration des revêtements par barbotines. L’influence de l’atmosphère (Ar, air) et celle des conditions de traitement thermique ont également été étudiées. Enfin, la durabilité des revêtements développés au cours de la thèse a été évaluée au cours d’essais de corrosion à chaud et d’oxydation.


  • Résumé

    The selection of materials is of utmost importance in gas turbine engines to ensure the security of the passengers, optimize the performances of the aircraft and be cost efficient. In the hottest region of the engines (i.e. combustion chamber and turbine), the components are usually made of nickel-based superalloys. These materials can resist to high mechanical loads at high temperature but are vulnerable to aggressive environments. Therefore, nickel-based superalloys are usually coated to increase their durability in the engine (surface engineering). The chemical composition and the coating architecture are carefully adjusted depending on the temperature regime and the mechanisms of degradation encountered (hot corrosion, oxidation and/or erosion). New synthesis routes and functionalization are currently developed as alternative solutions to industrial processes. As a promising alternative approach, different studies were carried out in the LaSIE laboratory under the European project “PARTICOAT” and confirmed the possibility to elaborate complete thermal barrier systems (diffusion coating + thermal barrier coating) from Al-containing water-based slurries. In this work, the role of Cr as a doping agent was investigated. The addition of Cr decreased the thermodynamic activity of Al upon aluminizing and limited the exothermic reactions usually reported between Al and nickel-based materials. Different architectures of coatings were obtained thanks to the flexibility and the adaptability of the slurry coating process. The gas composition (Ar, air) and the heat treatment conditions were also investigated. Finally, the high temperature resistance of the slurry coatings developed during this work was evaluated under hot corrosion and oxidation conditions.


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