Development of anti-CMAS and non-wetting thermal barrier coatings by suspension plasma spraying

Cette thèse s’inscrit dans le développement de nouvelles technologies capables de répondre aux exigences environnementales sévères des futurs turboréacteurs de l’industrie aéronautique. En particulier, les travaux s’attachent à proposer une nouvelle architecture de barrière thermique venant à recouvrir les aubes de turbine haute-pression, pièces métalliques exposées à des températures dépassant 1200°C. Cette architecture est un revêtement bicouche, élaboré par projection plasma de suspensions (SPS), composé d’une première couche colonnaire formée par de la zircone partiellement stabilisée à l’yttrine (YSZ) et d’une couche superficielle d’aspect dense contenant du zirconate de gadolinium (GZ) et une céramique non-oxyde. Ce bicouche se doit d’être résistant à la corrosion des particules siliceuses (CMAS) présentes dans l’atmosphère et de présenter des propriétés thermomécaniques en accord avec la fonction de barrière thermique. Une partie des études a mis en évidence le potentiel de barrière à la corrosion des CMAS du revêtement composite GZ – SiC, par la présence in situ d’un réservoir d’oxyapatite et de disilicate de gadolinium. La présence de carbure en surface du revêtement permettrait aussi de limiter grandement l’étalement du verre fondu d’un CMAS modèle jusque 1300°C. Le revêtement présente un comportement partiellement mouillant au CMAS, ce qui augmenterait la durée de vie de la couche superficielle. Le bicouche YSZ – GZ/SiC montre des propriétés analogues en termes de vieillissement thermique et de résistance à l’infiltration du CMAS. La caractérisation du comportement cinétique de particules submicroniques dans le jet plasma jusqu’à l’impact et l’évaluation des propriétés thermophysiques du plasma sur le traitement thermocinétique de ces dernières ont permis d’affiner les connaissances sur la croissance des revêtements colonnaires élaborés par SPS sur des surfaces à géométrie complexe. Un choix judicieux de conditions plasmagènes a permis l’obtention d’un bicouche offrant des propriétés thermomécaniques similaires aux barrières thermiques actuellement déployées sur les aubes de turbine haute-pression et élaborées par EB-PVD.This PhD work is involved in the development of new technologies capable of withstanding harshenvironmental constraints demanded to the aeronautical industry on new turbojets. A new architecture of thermal barrier coating, exposed to temperatures higher than 1200°C and meant to protect highpressure turbine blades, is suggested in this work. This architecture is a bilayer coating comprising a columnar layer made of yttria-partially stabilised zirconia (YSZ) and a superficial dense layer containing gadolinium zirconate (GZ) and one non-oxide ceramic. It is produced by an emerging process called suspensions plasma spraying (SPS). This bilayer has to be resistant to atmospheric siliceous particles (CMAS) and has to exhibit thermomechanical properties compliant with the thermal barrier coating application. One part of the studies highlights the potential for a CMAS corrosion barrier from the composite coating GZ – SiC, due to the existence of an in situ reservoir of gadolinium oxyapatite and disilicate. Surface carbide is also likely limiting the spreading of the model CMAS glass tested. The coating displays a partially wetting behaviour up to 1300°C. This could result in a higher lifetime of the superficial coating during service. Bilayer coating YSZ – GZ/SiC shows similar properties to thermal aging and CMAS infiltration resistance. Characterisation in the plasma jet of the submicronic particles kinetic behaviour upon impact on diverse surfaces and the evaluation of plasma thermophysical properties on particles’ thermokinetic treatment refined current knowledges on coating columnar growth produced by SPS on intricate surfaces. A judicious choice of plasma conditions led to the production of a bilayer coating showing similar thermomechanical properties to current EB-PVD thermal barrier coatings used on high-pressure turbine blades

Investigations on Particle Behavior at the Stagnation Zone for a Suspension Particle Jet in Plasma Spray Conditions

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Benefits of Hydrogen in a Segmented-Anode Plasma Torch in Suspension Plasma Spraying

International audienceAbstract Suspension plasma spraying (SPS) enables the production of various coating microstructures with unique mechanical and thermal properties. Aeronautical manufacturers have been working for fifty years to improve the thermal barrier coating (TBC) performances in gas turbines. Commercial plasma torches with a segmented anode that are characterized by stable plasma jets should enable a better control of the TBC microstructure. The addition of diatomic gases such as hydrogen in the plasma-forming gas affects the plasma jet formation and causes some instabilities. However, it enhances the thermal conductivity of the gas flow, the plasma mass enthalpy and the heat transfer to particles. This study aims to characterise and describe the coating microstructure changes of yttria-stabilised zirconia when gradually adding hydrogen with argon into the plasma gas mixture. The effect of hydrogen is weighted out due to the gas mass enthalpy, mean velocity at the nozzle exit and “hot zone” length of the plasma jet. The coating microstructures, which depend on these plasma jet parameters, will be mapped from feathery and porous to dense and cracked deposits depending on the spraying conditions

Experimental Study of the Impact of Substrate Shape and Tilting on Particle Velocity in Suspension Plasma Spraying

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Experimental Observation of Effect of Substrate Shape in Suspension Plasma Spraying

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Trends and Perspectives in Mitigating CMAS Infiltration in Thermal Barrier Coating

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