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Revêtements de barrière thermique (TBC) – Etat de l’art
Samppa Ahmaniemi, Petri Vuoristo, Tapio Mäntylä
Surface Engineering Laboratory, Institute of Materials Science, Tampere University of Technology.

Généralités sur les TBC

Les revêtements de barrière thermique sont largement utilisés pour les composants de turbines à gaz sollicités thermiquement comme les brûleurs, les raccords de transition, les montures, les lames et les vannes. Le matériau le plus commun des TBC est la zircone stabilisée à l’oxyde d’yttrium (8Y2O3-ZrO2) utilisée pour sa stabilité à haute température, sa faible diffusivité thermique et son coefficient de dilatation thermique élevé pour une céramique.

Figure 2 : Vanne de turbine à gaz revêtue (composant statique) et tête de piston de moteur diesel.

Au début des années 1980, de nombreuses études ont été entreprises pour introduire les TBC dans les moteurs, mais leur utilisation est encore assez limitée. L’environnement dans une chambre de combustion de moteur diesel est considérablement différent de celui des turbines à gaz. Les températures sont inférieures mais les contraintes thermiques et mécaniques ainsi que les conditions de corrosion à chaud ne demandent pas moins de qualités à ces TBC. Les éléments de la partie de combustion d’une turbine à gaz et d’un moteur diesel sont habituellement revêtus par projection plasma à pression atmosphérique (APS) avec des épaisseurs de dépôt comprises entre 200 et 500µm. Cependant, la projection physique en phase vapeur par faisceau d’électron (EB-PVD) est le procédé de pointe pour la fabrication de revêtements TBC pour les éléments de turbines à gaz. Ces revêtements sont relativement fins (150-300µm) et supportent une certaine déformation. La structure en colonnes verticales des TBC élaborés par EB-PVD offre une meilleure tolérance à la déformation du composant au cours de cycles thermiques que la microstructure lamellaire des revêtements APS. De plus, l’état de surface des dépôts EB-PVD offre un avantage aérodynamique aux profils portants des turbines rotatives. La figure 2 représente une vanne de turbine à gaz revêtue (composant statique) et une tête de piston de moteur diesel.

De la demande pour des TBC plus épais

Augmenter la température d’admission du gaz chaud (TAT) dans la turbine est un moyen possible d’améliorer l’efficacité des procédés à cycles combinés entraînés par des turbines à gaz. Des températures de TAT maximale d’environ 1500°C sont couramment rencontrées pour les turbines au sol ; elles sont plus élevées pour les turbine aériennes. Puisque les matériaux structuraux comme les superalliages à base de nickel et de cobalt ne peuvent pas supporter des températures supérieures à 950°C, des barrières thermiques plus isolantes sont nécessaires. Les températures de surface des composants des sections chaudes des turbines à gaz sont contrôlées principalement par les différentes techniques de refroidissement et les TBC. Bien que le refroidissement à l’air soit nécessaire, l’air de refroidissement est pris directement sur le compresseur, ce qui diminue son débit d’autant. Des calculs ont montré que le gradient thermique à travers un TBC standard de 500µm est de 150°C et de 320°C dans le cas d’un TBC épais de 1800µm (température de surface = 1250°C).

Avec des TBC plus épais, la température de combustion moyenne du processus diesel peut également être augmentée. Cette température augmentée n’affecte pas directement l’efficacité du processus diesel, mais l’excédent de chaleur peut être récupéré dans un turbochargeur ou dans une chaudière avec un conduit à gaz à cycle combiné. Certaines études ont montré que les TBC peuvent augmenter le coefficient d’efficacité thermique du processus de combustion diesel et diminuer la consommation de fuel. Cependant, dans la littérature, certains résultats indiquent également qu’il n’y a aucun avantage à utiliser des TBC dans les moteurs diesel. De toute façon, le processus diesel doit être réglé correctement pour utiliser les bénéfices des TBC. Les TBC épais, supérieurs à 3.5 mm d’épaisseur, ont été étudiés pour des applications de moteur diesel.

L’abaissement de la conductivité thermique (conductivité thermique de la couche / épaisseur de la couche) des TBC peut être abordé sous trois aspects : (1) diminuer la conductivité thermique du matériau en couche, (2) augmenter la porosité de la couche, (3) augmenter l’épaisseur de la couche.

Pour l’adaptation de TBC à basse conductivité, ces trois méthodes doivent être considérées.

Inconvénients des Dépôts Epais TBC (TTBC)

En service, les TBC sont exposés à diverses contraintes thermiques et mécaniques tels que des cycles thermiques, des cycles de fatigue, de la corrosion et de l’érosion à chaud. En général, suite à des problèmes de fiabilité, l’épaisseur des TBC est limitée à 500 µm dans la plupart des applications. L’augmentation de l’épaisseur des dépôts augmente le risque de rupture de la couche entraînant une diminution de sa durée de vie. Les mécanismes de rupture causant l’écaillage des couches TTBC sont différents de ceux des couches plus minces traditionnelles.

La principale cause de la rupture des couches TBC traditionnelles et de l’écaillage dans les turbines à gaz est l’oxydation de la couche interfaciale. Quand l’épaisseur de la couche d’oxyde formée sous l’effet de la chaleur (thermally grown oxide ; TGO) excède une certaine limite, elle induit une contrainte critique à partir de laquelle on a rupture du revêtement.

Les couches plus épaisses sont soumises à des gradients de température plus élevés et donc à des contraintes internes plus grandes. Bien que le coefficient de dilatation thermique de 8Y2O3-ZrO2 (le dépôt) soit proche de celui du substrat, la différence de coefficient est suffisante pour induire des contraintes à l’interface dépôt-substrat aux hautes températures. La tolérance à la déformation du TTBC doit être gérée par le contrôle de la microstructure de la couche. L’utilisation de couches plus épaisses conduit généralement à de plus hautes températures à la surface des couches, cela peut être préjudiciables si certaines limites sont dépassées. A long terme, la structure de la phase zircone stabilisée à l’yttrium (8Y2O3-ZrO2) n’est pas stable au-dessus de 1250°C. La tolérance à la déformation de la couche peut être rapidement dépassée par frittage si de hautes températures sont atteintes en surface.

Développement et tendances futures des TTBC

Afin de résoudre les problèmes liés aux TTBC, de nombreuses recherches ont été effectuées.

Un organigramme problème-résolution est présenté à la figure 3, il montre la façon de résoudre les problèmes liés aux TTBC et ouvre la voie vers des développements de TTCB durables.

Figure 3 : Problèmes et solutions de la projection de TTBC [1].

La plupart des solutions de la figure 3 sont liées à la réduction du module d’Young et des contraintes résiduelles dans les couches. Dans la pratique, ceci peut être obtenu en contrôlant les paramètres de projection, mais aussi la température du substrat et de la couche au cours du dépôt du revêtement. Si la température est trop élevée pendant la projection, des contraintes de compression se développent dans la structure de la couche. Un refroidissement de la surface et du substrat sont donc nécessaires.

Les paramètres de projection peuvent également être ajustés pour obtenir les niveaux de porosité et de microfissures souhaités. Des fissures verticales de segmentation, passant à travers la totalité du dépôt, peuvent apparaître en déposant des couches assez épaisses durant la préparation du dépôt. En plus de la tolérance à la déformation, les pores et en particulier les fissures horizontales participent naturellement de manière favorable à l’abaissement de la conductivité thermique de la couche. Des valeurs extrêmement élevées de porosité (plus de 25 vol%) dans les TBC ont été obtenues par projection simultanée de polymères avec de la zircone. Cependant, la projection de couches très poreuses et épaisses réduit l’efficacité de la déposition.

Différentes structures en couches ou à gradient ont été étudiées pour réduire les contraintes critiques dues à la différence de coefficient de dilatation thermique entre les matériaux de la couche et du substrat. Plusieurs essais ont été réalisés pour modifier les propriétés des TBC par des post-traitements. La surface du revêtement peut être modifiée par imprégnation de métal liquide, vitrification laser, pressage isostatique à chaud (HIP), un procédé sol-gel ou imprégnation par des phosphates. Quand on modifie des structures TBC, il faut garder à l’esprit que les fonctions primaires d’une couche, -isolation thermique et tolérance à la déformation-, ne doivent pas être altérées. Des microstructures de TTBC 8Y2O3-ZrO2 poreuses et modifiées sont présentées en figure 4.

Figure 4 : Micrographies optiques de revêtements TTBC 8Y2O3-ZrO2 , (a) référence, (b) imprégné de phosphate d’aluminium , (c) vitrifié au laser.

Le frittage de TBC peut être induit par des impuretés (principalement SiO2) dans les poudres à projeter.

A haute température, le frittage augmente le module d’Young de la couche en fonction du temps et, par conséquent, est un facteur important qui devrait être pris en compte pour la sélection et le développement des poudres pour des applications TBC.

Activité de Recherche sur les TTBC au TUT/IMS

Le Laboratoire d’Ingénierie des Surfaces de TUT/IMS est impliqué dans la recherche sur les TTBC dans des programmes de recherche nationaux et européens. Les modifications de structure des TTBC sont étudiées dans un projet national « Valeurs Extrêmes du Moteur à Piston », qui appartient au programme de recherche TEKEVA, initié par l’Académie Finlandaise. Les propriétés mécaniques et thermiques, ainsi que les essais à haute température, de TTBC modifiés sont étudiés dans le cadre du programme européen sur les matériaux pour turbines à gaz COST522. Des résultats récents de ces études sont à votre disposition dans les références 2 à 5.

Références

1. H.-D. Steffens, Z. Babiak, M. Gramlich, Some Aspects of Thick Thermal Barrier Coating Lifetime Prolongation, Journal of Thermal Spray Technology, 8(4), 1999, p. 517-522.

2. S. Ahmaniemi, P. Vuoristo and T. Mäntylä: Improved Sealing Treatments for Thick Thermal Barrier Coatings, Surface & Coatings Technology, 151-152, 2002, p. 412-417.

3. S. Ahmaniemi, P. Vuoristo, T. Mäntylä: « Comparative Study of Different Sealing Methods for Thick Thermal Barrier Coatings », Proceedings of the International Thermal Spray Conference, 2001, p. 157-166.

4. C. Gualco, E. Cordano, F. Fignino, C. Gambaro, S. Ahmaniemi, S. Tuurna, T. Mäntylä, P. Vuoristo: « An improved deposition process for very thick porous thermal barrier coatings », Proceedings of the International Thermal Spray Conference, 2002, p. 195-201.

5. S. Ahmaniemi, P. Vuoristo, T. Mäntylä « Effect of Aluminum Phosphate Sealing Treatment on Properties of Thick Thermal Barrier Coating » Proceedings of the International Thermal Spray Conference, 2000, p. 1087.

          
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