Elaboration par voie sol-gel de nouvelles barrières thermiques architecturées présentant des propriétés contre l'infiltration des oxydes CMAS (Ca, Mg, Al, Si) - Etude de la réparabilité de systèmes endommagés

Abstract

Le développement des systèmes " barrière thermique " (BT) a permis d'accroître la température de fonctionnement des turbomachines, contribuant ainsi à l'augmentation des performances de ces dernières. Néanmoins, ce gain a été contrebalancé par l'apparition de phénomènes de corrosion par des contaminants environnementaux de type CMAS (Calcium, Magnésium, Aluminium et Silicium). L'évaluation de la dégradation des BT et la mise en place de solutions de protection font l'objet du premier axe de recherche présenté dans ce manuscrit. L'interaction entre un CMAS modèle et la zircone yttriée a tout d'abord été étudiée afin de mieux appréhender les phénomènes qui la gouvernent. Par la suite, des matériaux " anti-CMAS " ont été synthétisés par voie sol-gel et leur comportement vis-à-vis du composé silicaté a été évalué. Un effort particulier a été porté sur l'étude de l'oxyde d'yttrium Y2O3. En effet, il a été montré au cours de ces travaux que ce matériau présente une cinétique d'interaction rapide avec le CMAS et conduit à la formation de phases secondaires de type apatite. De plus, il a été mis en évidence que l'élaboration d'une couche sacrificielle à base d'yttrine à la surface d'une BT élaborée par EBPVD, favorise le piégeage des CMAS et permet ainsi d'atténuer la dégradation microstructurale de la barrière thermique sous-jacente. Le second volet de ces travaux de thèse avait quant à lui pour objectif de développer une méthode de réparation locale de barrières thermiques EBPVD endommagées. La technique de dépôt par électrophorèse a été proposée car elle présente l'avantage de pouvoir déposer sélectivement de la matière dans les zones où le revêtement céramique a été dégradé. A l'issue d'une étude paramétrique, les conditions opératoires optimisées ont été appliquées sur des pièces présentant des défauts calibrés. Les résultats obtenus ont mis en évidence la forte potentialité de ce procédé pour répondre à cette problématique. Les dépôts électrophorétiques de zircone yttriée permettent en effet de restaurer la couche céramique dans les zones endommagées sans qu'il n'ait été préalablement nécessaire d'éliminer la barrière thermique EBPVD. Les revêtements mis en forme sont homogènes et uniformes en termes d'épaisseur et de microstructure. A la lumière de ces résultats, il est donc possible d'envisager l'utilisation de l'électrophorèse pour prolonger la durée de vie de pièces partiellement détériorées, mais également pour l'élaboration de barrières thermiques sur pièces complexes.Thermal Barrier Coatings (TBC) have allowed gas-turbine engines to operate at higher gas temperatures leading to a great enhancement in efficiency and performances. However, in the aim to increase the turbine inlet temperature, a new issue has appeared: corrosion by molten Calcium-Magnesium-Alumino Silicates, also known as CMAS. Therefore, the first part of the thesis focus on (1) the degradation of yttria-stabilized zirconia (YSZ)-based TBC systems by CMAS and (2) different materials to protect them. First, the interaction between a synthetic CMAS and yttria-stabilized zirconia (YSZ) has been studied. It has been found that the zirconia in the YSZ dissolved in CMAS and re-precipitate in the YSZ during the corrosion process. Densification of YSZ has also been found. After better understanding of the degradation, different CMAS-resistant materials were synthesized via sol-gel route and their anti-corrosion behaviors have been evaluated. Among different CMAS-resistant materials, yttrium oxide (Y2O3) presents a promising performance since yttria exhibits a fast interaction with CMAS and leads to the formation of secondary apatite phase. In this case, the yttrium oxide coating acts as a sacrificial layer which traps CMAS and helps to mitigate the deterioration of the underneath TBC microstructure. The second part of this research work aims to develop a new repairing method for damaged EBPVD TBC. The electrophoretic deposition (EPD) has been proposed because it has the benefit of selectively deposit material where the ceramic coating has been degraded. Following a parametric study, the optimized operating conditions were applied to pre-damaged reference samples. The results have demonstrated the high potential of this method to tackle this issue. The electrophoretic deposition of yttria-stabilized zirconia allows to restore the ceramic layer in the damaged areas without prior removing the TBC. Coatings shaped by EPD exhibit homogeneous and uniform thickness and microstructure. In light of these results, it is possible to consider the use of electrophoretic deposition to extend lifetime of partially damaged TBC, but also to develop new thermal barrier coatings on complex parts