Etude de la microstructure et des performances des revêtements céramiques YSZ finement structurés obtenus par projection plasma de suspension

Study of the microstructure and efficiency of YSZ-SPS finely structured ceramic coatings

• Auteur / Autrice : Yongli Zhao
• Direction : Marie-Pierre Planche, Ghislain Montavon, François Peyraut
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'Ingénieur
• Date : Soutenance le 25/09/2018
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB) (Dijon) - Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne [Dijon] / LICB
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de technologie de Belfort-Montbéliard (1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Bertrand Lenoir
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hervé Pelletier, Vincent Rat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Revêtement de céramique

Projection au plasma

Mots clés libres

Projection plasma de suspension

Paramètre de procédé

Microstructure

Porosité

Analyse statistique multivariée

Modèle prédictif

Suspension plasma spray

Process parameter

Microstructure

Porosity

Multivariate statistics analysis

Predictive model

Résumé

Grâce à l'utilisation d'un porteur liquide, la projection plasma de suspension (SPS) permet la fabrication de revêtements finement structurés. Comme pour la projection plasma conventionnelle (APS), les microstructures des revêtements SPS peuvent être adaptées en contrôlant les conditions de projection. Cependant, le procédé SPS est plus compliqué que le procédé APS par son nombre de paramètres modifiables.Cette thèse vise à apporter une compréhension plus fondamentale de la relation entre les paramètres du procédé SPS et les propriétés des revêtements YSZ en identifiant des modèles génériques basés sur l’utilisation de méthodes statistiques mathématiques pour l'étude de l'influence et de la sensibilité de paramètres individuels.Des expériences systématiques ont été menées pour étudier l'influence de six paramètres (puissance du plasma, charge massique de suspension, taille de la poudre, distance de projection, pas de projection et rugosité du substrat) sur la microstructure des revêtements qui ont aussi été analysés en terme de propriétés d’usage (mécanique, thermique, tribologique, etc.). La porosité des revêtements a fait l’objet d’une étude approfondie et les mesures ont été réalisées par trois techniques différentes : la méthode par analyse d’images, la transmission RX et la méthode USAXS (Ultra-Small Angle X-ray Scattering). Des analyses multivariées sur les données expérimentales recueillies ont été effectuées et plusieurs modèles mathématiques ont été proposés afin de prédire les propriétés des revêtements et guider ensuite vers une optimisation de la microstructure du revêtement en vu d'applications spécifiques.Dans ce contexte d'optimisation des performances mécaniques et tribologiques de ces revêtements céramiques, différentes quantités et tailles de poudre h-BN ont été ajoutées dans la suspension YSZ. Les revêtements composites YSZ / h-BN ont été fabriqués et leur analyse a montré une nette réduction du coefficient de frottement et du taux d'usure lorsque la taille et la quantité de poudre d’ajout sont optimisées l'une avec l'autre. Trois mécanismes d’usure ont finalement été identifiés et seront discutés.

Thanks to the using of liquid carrier, suspension plasma spray (SPS) enables the manufacture of finely structured coatings. As for conventional plasma spraying (APS), the microstructures of SPS coatings can be tailored by controlling the spray conditions. However, SPS is more complicated than APS due to its number of modifiable parameters.This thesis aims to provide a more fundamental understanding of the relationship between SPS process parameters and the properties of YSZ coatings by identifying generic models based on the use of mathematical statistical methods for the study of influence and sensitivity of the individual parameters.Systematic experiments were carried out to study the influence of six parameters (plasma power, suspension mass load, powder size, projection distance, projection step and substrate roughness) on the microstructure of coatings which were also analyzed in terms of the properties (mechanical, thermal, tribological, etc.). The porosity of the coatings was studied in detail and the measurements were carried out using three different techniques: the image analysis method, the X-ray transmission and the USAXS (Ultra-Small Angle X-ray Scattering) method. Multivariate analyzes of the collected experimental data were performed and several mathematical models were proposed to predict the properties of the coatings and then guide towards an optimization of the microstructure of the coating for specific applications.In this context of optimizing the mechanical and tribological performance of ceramic coatings, different amounts and sizes of h-BN powder have been added in the YSZ suspension. The YSZ/h-BN composite coatings were manufactured by SPS process and their analysis showed a clear reduction in the coefficient of friction and the wear rate when the size and the amount of addition powder are optimized together. Three wear mechanisms have finally been identified and been discussed.