Elaboration de systèmes barrière thermique par barbotine : comportement du nickel et de ses superalliages revêtus en oxydation cyclique à haute température

Thermal barrier coating made from slurry : Ni and Ni-based superalloys coated high temperature cyclic oxidation behaviour

• Auteur / Autrice : Maël Mollard
• Direction : Fernando Pedraza Diaz, Gilles Bonnet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 06/12/2012
• Etablissement(s) : La Rochelle
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences et ingénierie en Matériaux, Mécanique, Energétique et Aéronautique
• Jury : Président / Présidente : Philippe Lours
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Josseline Balmain, Alina Aguero, Xabier Montero
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Francisco Javier Perez Trujillo, Vladislav Kolarik

Mots clés

Mots clés contrôlés

Teneur en aluminium

Particules (matière)

Oxydation

Alliages nickel-aluminium

Hautes températures

Mots clés libres

Barbotine

Microparticules d’aluminium

Aluminure de nickel

Barrière thermique

Oxydation cyclique à haute température

Slurry

Aluminium micro-particles

Nickel aluminide

Thermal barrier coating

High temperature cyclic oxidation

Résumé

Les superalliages base nickel sont couramment utilisés dans les parties chaudes des turbines aéronautiques et de production d’énergie. Les températures employées, supérieures à 900°C, nécessitent de concevoir des revêtements protecteurs pour lutter contre les phénomènes d’oxydation. Les revêtements couramment utilisés, composés pour la plupart de la phase β-NiAl, permettent de retarder les phénomènes de dégradation en développant une couche d’alumine. Dans les sections les plus chaudes, une barrière thermique composée de céramique, associée à un système de refroidissement interne complètent le dispositif de protection en permettant d’abaisser la température effective au niveau du substrat métallique.Ces revêtements sont cependant onéreux et utilisent de nombreux produits polluants. Les travaux de cette thèse, qui s’inscrivent dans le cadre du projet européen Particoat, se proposent d’élaborer un système barrière thermique en une seule étape reposant sur l’application d’une barbotine à base aqueuse comprenant des microparticules d’aluminium, suivi d’un traitement thermique approprié. L’aluminium contenu dans les sphères devient liquide puis réagit avec le substrat pour former une couche d’intermétallique riche en aluminium par diffusion à l’état solide. Simultanément les coquilles des sphères s’oxydent pour former une structure mousse en surface du substrat qui va conférer au système son isolation thermique. La cohésion des deux parties est assurée par l’oxyde thermique qui se forme à la surface du revêtement inter métallique. Les mécanismes mis en jeu lors des différentes étapes, ont été étudiés sur un substrat modèle, le nickel, ainsi que sur trois superalliages industriels (René N5, PWA 1483 et CM-247). Les revêtements ainsi élaborés ont été testés en condition d’oxydation isotherme et cyclique entre 900 et1100°c pour le nickel et entre 1000 et 1100°C pour les superalliages revêtus. L’ensemble montre une bonne résistance du système barrière thermique élaboré par barbotine.

Nickel superalloys are commonly used in the high temperature sections of aero- and land-based turbines blades. Protection of these materials by coatings is required to improve their resistance to oxidation beyond 900°C. The conventional process consists of a β-NiAl, which allows to form a protective alumina scale with alow oxidation kinetic. In the hottest parts of the turbine, a ceramic is used as a thermal barrier coating in addition to an internal cooling system in order to diminish the temperature seen at the metallic substrate surface. However, these existing methods are expensive, long and pollutant. Thus, this PhD thesis aims at producing a new thermal barrier system in one step, in the frame of the European project Particoat. Its concept is to apply on the substrate an aqueous slurry containing aluminum microparticles. Then, during an appropriate heat treatment the metallic particles sinter and oxidize completely resulting in a quasi-foam structure made of alumina hollow spheres (TBC). Simultaneously, the diffusion of the Al into the substrate creates a bond coat below the TBC. This coating formation is studied on model alloy (pure nickel) and on three different superalloys (René N5, PWA-1483 and CM-247). The pure nickel coated system is tested during isothermal and cyclic oxidation between 900°C and 1100°C whereas the degradation of the superalloys is realized upon cyclic oxidation at 1000°C and 1100°C. The overall results show a good resistance of this new thermal barrier system, enlightened by an industrial aluminide coatings comparison.