Améliorations de revêtements barrières thermiques par un procédé de refusion laser in situ utilisant un laser à diodes

Abstract

Les barrières thermiques, réalisées par projection thermique à la torche à plasma d’arc soufflé et constituées d’une couche céramique de zircone stabilisée notamment à l'yttrine (ZrO2-Y2O3), sont largement utilisées pour protéger les composants des turbines à gaz aéronautiques des dégradations à haute température, de la corrosion et de l’oxydation. Toutefois, ces revêtements se dégradent lors des cycles de fonctionnement. Aussi, il existe une véritable difficulté technologique pour élaborer à un coût modéré des barrières thermiques présentant à la fois de faibles caractéristiques de conductivité et une bonne tenue en service. L’originalité de cette étude est donc de modifier les propriétés de barrières thermiques à base de zircone partiellement stabilisée par un procédé de refusion laser in situ couplant la projection thermique à la refusion par irradiation laser. Au final, le procédé de refusion in situ a permis d’architecturer différemment les dépôts barrières thermiques, et notamment : (i) de substituer à la microstructure lamellaire des dépôts projetés une microstructure dendritique colonnaire plus adaptée aux sollicitations thermomécaniques (augmentation de la résistance aux chocs isothermiques pouvant aller jusqu’au doublement du nombre de cycles) ; (ii) d’obtenir une architecture poreuse moins sensible au frittage, d’où une meilleure conservation des propriétés thermiques et mécaniques du dépôt lors de maintiens à hautes températures ; (iii) d’améliorer les propriétés d’isolation thermique de la barrière thermique, notamment en réduisant la conductivité thermique du dépôt d’environ 30 % ; (iv) de diminuer drastiquement sa perméabilité pour lutter contre l’oxydation et la corrosion ; (v) d’obtenir une phase tétragonale métastable plus stable lors de chocs thermiques ; (vi) de conserver les propriétés élastiques du dépôt (module de Young intrinsèque et apparent). Yttria partially stabilized zirconia thermal barrier coatings (TBCs) are nowadays widely used to protect components of aero gas turbines against degradation at high temperature, corrosion and oxidation. However, these coatings degrade in service conditions. Therefore, to manufacture TBC which present both low thermal conductivity and high life-time is a real challenge. Engineering the coating architecture by an adapted process is a prerequise to modify TBC characteristics. In this study, laser remelting was combined to thermal spraying in order to modify the TBC properties. The purpose was to adapt TBC characteristics during their manufacturing process, without adding one or even more additional steps. In situ laser treatment (i) changes structure from lamellar to dendritic columnar; (ii) generates a pore architecture less sensitive to sintering, inducing then a best conservation of the thermal and mechanical properties during thermal treatments at high temperatures; (iii) improves the thermal insulation properties of the TBC by decreasing its thermal conductivity of about 30 %; (iv) decreases its permeability in order to diminish oxidation and corrosion phenomena; (v) increases the resistance to isothermal shocks (with the possibility to double the number of cycles); (vi) conducts to a metastable tetragonal phase more stable during thermal shocks; (vii) without modifying elastic response of the deposit