Elaboration par le procédé sol-gel de revêtements de zircone yttriée sur substrats métalliques pour l'application barrière thermique

par Céline Viazzi

Thèse de doctorat en Science et génie des matériaux

Sous la direction de Jean-Pierre Bonino et de Florence Ansart.

Soutenue en 2007

à Toulouse 3 .

mots clés

• Sol-gel
• Barrière thermique
• Zircone yttriée
• Chimie douce
• Sol-gel, Procédé
• Zirconium -- Composés
• Échauffement aérodynamique

Résumé

Ce travail de recherche consiste à proposer un procédé alternatif permettant d'élaborer, sur des superalliages, des revêtements épais de zircone yttriée pour l'application barrière thermique. Ainsi, le procédé sol-gel est associé à une méthode de trempage-retrait : le dip-coating. La première partie de l'étude traite des paramètres de la synthèse sol-gel et des différentes phases cristallographiques pouvant être obtenues par la voie alcoxyde. Il est démontré que ce procédé de chimie douce conduit à l'obtention d'une gamme étendue de solutions solides métastables de symétries quadratiques. Ainsi, les paramètres de synthèse permettant, sans trempe thermique, d'obtenir la phase t', intéressante pour le durcissement structural qu'elle engendre, sont ajustés. Dans un deuxième temps, la mise en forme de poudres de zircone yttriée à partir d'un milieu liquide est présentée. Il s'agit d'obtenir, sur des superalliages, des revêtements cohérents à une température de recuit inférieure à 1200°C afin de ne pas dégrader les substrats métalliques. Une attention particulière est apportée à la distribution granulométrique des poudres incorporées dans le milieu liquide. Par ailleurs, la cristallisation du sol alcoxyde in situ, a également une influence notable sur la consolidation de ce dernier à basse température puisque le rôle de 'ciment' que joue le sol est démontré. La microstructure des revêtements obtenus est particulièrement originale pour l'application barrière thermique puisqu'ils sont constitués d'une distribution poreuse non orientée au sein de la céramique. Enfin, la dernière partie de l'étude est consacrée aux premières caractérisations des propriétés d'usage des revêtements

Résumé

The aim of this research work is to present an alternative process to conventional technologies, the sol-gel route, to fabricate thick yttria stabilized zirconia (YSZ) coatings on superalloys for the thermal barrier application. The first part of the study deals with the synthesis parameters of this soft chemistry process. It is shown that the sol-gel route allows to obtain a wide range of metastable tetragonal solid solutions. Thus, the synthesis parameters to obtain, without a tempering step, the t' phase are adjusted. This metastable phase is of great interest for the thermal barrier application because of the toughening mechanism that it generates during its return to a stable state. In the second part, the fabrication of thick YSZ coatings starting from a liquid medium is exposed. The aim is to obtain a cohesive deposit on superalloys at temperatures lower than 1200°C in order to avoid any damage to the substrates. It is shown that the in situ crystallization of the alcoxyde sol has also an important influence and the sol really plays the role of `cement'. Thanks to its use with an adjusted granulometric distribution of powders, thick coatings (>50µm) are obtained, at low temperature, on substrates with quite different roughness. In addition, the microstructure of these coatings is particularly original for the thermal barrier application since it consists of a non directional arrangement of the porous network in the ceramic. Finally, the last part of the study concerns the preliminary characterizations of the working properties of the coatings. It provides useful information to improve the protocol of fabrication.