Revêtement de barrière thermique



Les revêtements à barrière thermique (TBC) sont des systèmes de matériaux très avancés habituellement appliqués sur des surfaces métalliques, telles que des turbines à gaz ou des pièces de moteur aéronautique, fonctionnant à des températures élevées, comme une forme de gestion de la chaleur d’échappement . Ces revêtements de 100 μm à 2 mm servent à isoler les composants de charges thermiques importantes et prolongées en utilisant des matériaux thermiquement isolants qui peuvent supporter une différence de température appréciable entre les alliages porteurs et la surface de revêtement. [1] Ce faisant, ces revêtements peuvent permettre des températures de fonctionnement plus élevées tout en limitant l’exposition thermique des composants structuraux, prolongeant ainsi la durée de vie des pièces en réduisant l’oxydation et la fatigue thermique.. En conjonction avec le refroidissement par film actif, les TBC permettent des températures de fluide de travail supérieures au point de fusion du profil métallique dans certaines applications de turbine. En raison de la demande croissante pour un fonctionnement plus élevé du moteur (augmentation de l’efficacité à des températures plus élevées), une meilleure durabilité / durée de vie et des revêtements plus minces pour réduire le poids parasite des composants rotatifs / mobiles.

Structure

Un TBC efficace doit répondre à certaines exigences pour bien fonctionner dans des environnements thermomécaniques agressifs. [2] Pour faire face aux contraintes de dilatation thermiquependant le chauffage et le refroidissement, une porosité adéquate est nécessaire, ainsi qu’une correspondance appropriée des coefficients de dilatation thermique avec la surface métallique que revêt le TBC. La stabilité de la phase est nécessaire pour empêcher les changements de volume importants (qui se produisent pendant les changements de phase), ce qui provoquerait la fissuration ou l’ éclatement du revêtement. Dans les moteurs à respiration aérienne, une résistance à l’oxydation est nécessaire, ainsi que des propriétés mécaniques décentes pour les pièces en rotation / mobiles ou les pièces en contact. Par conséquent, les exigences générales pour un TBC efficace peuvent être résumées comme nécessitant: 1) une fusion élevée. 2) pas de transformation de phase entre la température ambiante et la température de fonctionnement. 3) faible conductivité thermique . 4) inertie chimique. 5) correspondance d’expansion thermique similaire avec le substrat métallique. 6) bonne adhérence au substrat. 7) faible taux de frittage pour une microstructure poreuse. Ces exigences limitent considérablement le nombre de matériaux pouvant être utilisés, les matériaux céramiques pouvant généralement satisfaire aux propriétés requises. [3]



Les revêtements à barrière thermique sont généralement constitués de quatre couches: le substrat métallique, le revêtement de liaison métallique, l’oxyde à croissance thermique (TGO) et la couche de finition en céramique. La couche de finition en céramique est généralement composée de zircone stabilisée à l’oxyde d’yttrium(YSZ) qui est souhaitable pour avoir une très faible conductivité tout en restant stable aux températures de fonctionnement nominales typiquement observées dans les applications. Cette couche de céramique crée le plus grand gradient thermique du TBC et maintient les couches inférieures à une température plus basse que la surface. Cependant, au-dessus de 1200 ° C, YSZ souffre de transformations de phase défavorables, allant de t’-tétragonale à tétragonale à cubique à monoclinique. De telles transformations de phase conduisent à la formation de fissures dans le revêtement supérieur. Des progrès récents dans la recherche d’une alternative pour la couche de finition céramique YSZ ont identifié de nombreuses nouvelles céramiques (zirconates de terres rares) ayant des performances supérieures à des températures supérieures à 1200 ° C, mais avec une résistance à la fracture inférieure à celle de YSZ. En outre, de tels zirconates peuvent avoir une forte concentration de lacunes d’ions oxygène, ce qui peut faciliter le transport de l’oxygène et exacerber la formation du TGO. Avec un TGO suffisamment grand, il peut se produire un effritement du revêtement, ce qui constitue un mode de défaillance catastrophique pour les TBC. L’utilisation de tels revêtements nécessiterait des revêtements d’addition plus résistants à l’oxydation, tels que l’alumine ou la mullite.[4]

La couche de liaison est une couche métallique résistante à l’oxydation qui est déposée directement sur le substrat métallique. Il a typiquement une épaisseur de 75-150 μm et est constitué d’un alliage NiCrAlY ou NiCoCrAlY, bien que d’autres couches d’accrochage composées d’aluminures de Ni et de Pt existent également. Le principal objectif de la couche de liaison est de protéger le substrat métallique de l’oxydation et de la corrosion, en particulier de l’oxygène et des éléments corrosifs qui passent à travers la couche supérieure en céramique poreuse.

Aux conditions de fonctionnement de pointe trouvées dans les moteurs à turbine à gaz avec des températures supérieures à 700 ° C, l’oxydation de la couche de liaison conduit à la formation d’une couche d’oxyde à croissance thermique (TGO). La formation de la couche de TGO est inévitable pour de nombreuses applications à haute température, de sorte que les revêtements de barrière thermique sont souvent conçus de sorte que la couche de TGO se développe lentement et uniformément. Un tel TGO aura une structure qui a une faible diffusivité pour l’oxygène, de sorte qu’une croissance supplémentaire est contrôlée par la diffusion du métal à partir de la couche de liaison plutôt que par la diffusion de l’oxygène à partir de la couche de finition. [5]

Le TBC peut également être modifié localement à l’interface entre la couche de liaison et l’oxyde thermiquement développé de sorte qu’il agisse comme un luminophore thermographique , ce qui permet de mesurer la température à distance

Échec

Les TBC échouent à travers divers modes de dégradation qui comprennent le froissement mécanique de la couche de liaison au cours de l’exposition cyclique thermique, en particulier, les revêtements dans les moteurs d’avion; oxydation accélérée, corrosion à chaud, dégradation du dépôt fondu. Il y a aussi des problèmes avec l’oxydation (zones de la TBC étant arrachées) de la TBC, ce qui réduit considérablement la durée de vie du métal, ce qui conduit à la fatigue thermique.

Une caractéristique clé de tous les composants TBC est des coefficients de dilatation thermique bien adaptés entre toutes les couches. Les revêtements de barrière thermique se dilatent et se contractent à des vitesses différentes lors du chauffage et du refroidissement de l’environnement, de sorte que lorsque les différentes couches ont des coefficients de dilatation thermique mal adaptés, une contrainte est introduite qui peut entraîner une fissuration et finalement une rupture du revêtement.

La fissuration de la couche d’oxyde à croissance thermique (TGO) entre la couche de finition et la couche de liaison est le mode de rupture le plus courant pour les revêtements de pale de turbine à gaz. La croissance de TGO produit un stress associé à l’expansion volumique qui persiste à toutes les températures. Lorsque le système est refroidi, encore plus de désadaptation est introduite à partir de la discordance dans les coefficients de dilatation thermique. Le résultat est très élevé (2-6GPa) les contraintes qui se produisent à basse température et peuvent produire des fissures et finalement la rupture du revêtement de barrière. La formation de TGO entraîne également une déplétion de Al dans la couche de liaison. Cela peut conduire à la formation de phases indésirables qui contribuent à la contrainte de mésappariement. Ces processus sont tous accélérés par le cycle thermique qui se produit dans de nombreuses applications de revêtement de barrière thermique. [6]

Types [7][ modifier ]

YSZ

YSZ est la TBC la plus étudiée et la plus utilisée car elle fournit d’excellentes performances dans des applications telles que les moteurs diesel et les turbines à gaz. De plus, il s’agissait de l’un des rares oxydes réfractaires qui pouvaient être déposés sous forme de films épais en utilisant la technologie connue de la pulvérisation plasma. [8] Quant aux propriétés, il a la basse conductivité thermique, le coefficient élevé de dilatation thermique, et la basse résistance au choc thermique. Cependant, il a une limite de fonctionnement assez basse de 1200C en raison de l’instabilité de phase, et peut se corroder en raison de sa transparence en oxygène.

Mullite

La mullite est un composé d’alumine et de silice, de formule 3Al2O3-2SiO2. Il a une faible densité, de bonnes propriétés mécaniques, une grande stabilité thermique, une faible conductivité thermique, et résiste à la corrosion et à l’oxydation. Cependant, il souffre d’une cristallisation et d’une contraction de volume supérieure à 800C, ce qui conduit à la fissuration et à la délamination . Par conséquent, ce matériau convient comme alternative à la zircone pour des applications telles que les moteurs diesel , où les températures de surface sont relativement faibles et les variations de température à travers le revêtement peuvent être importantes.

Alumine

Seule Al2O3 en phase α est stable parmi les oxydes d’aluminium. Avec une dureté élevée et une inertie chimique, mais une conductivité thermique élevée et un faible coefficient de dilatation thermique, l’alumine est souvent utilisée en tant qu’addition à un revêtement TBC existant. En incorporant de l’alumine dans YSZ TBC, l’oxydation et la résistance à la corrosion peuvent être améliorées, ainsi que la dureté et la force de liaison sans modification significative du module d’élasticité ou de la ténacité. Un défi avec l’alumine est d’appliquer le revêtement par pulvérisation plasma, ce qui tend à créer une variété de phases instables, telles que la γ-alumine. Lorsque ces phases se transforment finalement en la phase α stable par le cycle thermique, un changement de volume significatif de ~ 15% (y à α) suit, ce qui peut conduire à la formation de microfissures dans le revêtement.

CeO2 + YSZ

CeO2 (Ceria) a un coefficient de dilatation thermique plus élevé et une conductivité thermique inférieure à YSZ. L’ajout d’oxyde de cérium dans un revêtement YSZ peut améliorer considérablement les performances TBC, en particulier en termes de résistance aux chocs thermiques . Ceci est probablement dû à une moindre contrainte de couche de liaison due à une meilleure isolation et à un meilleur coefficient de dilatation thermique nette. Certains effets négatifs de l’addition d’oxyde de cérium comprennent la diminution de la dureté et le taux accéléré de frittage du revêtement (moins poreux).

Zirconates des terres rares

La2Zr2O7, également appelée LZ, est un exemple de zirconate de terre rare qui présente un potentiel d’utilisation en tant que TBC. Ce matériau est stable en phase jusqu’à son point de fusion et peut tolérer en grande partie les lacunes sur l’un quelconque de ses sous-réseaux. Avec la possibilité de substitution de site avec d’autres éléments, cela signifie que les propriétés thermiques pourraient potentiellement être adaptées. Bien qu’il présente également une conductivité thermique très faible par rapport à YSZ, il présente également un faible coefficient de dilatation thermique et une faible ténacité.

Oxydes de terres rares

Le mélange d’oxydes de terres rares est facilement disponible, bon marché et peut être prometteur en tant que TBC efficaces. Les revêtements d’oxydes de terres rares (ex: La2O3, Nb2O5, Pr2O3, CeO2 en tant que phases principales) ont une conductivité thermique plus faible et des coefficients de dilatation thermique plus élevés par rapport à YSZ. Le principal défi à surmonter est la nature polymorphe de la plupart des oxydes de terres rares à des températures élevées, car l’instabilité de phase a tendance à avoir un impact négatif sur la résistance aux chocs thermiques.

Composites métal-verre

Un mélange de poudre de métal et de verre normal peut être pulvérisé par plasma sous vide, avec une composition appropriée résultant en une TBC comparable à YSZ. De plus, les composites métal-verre ont une adhérence supérieure au revêtement de liaison, des coefficients de dilatation thermique plus élevés et aucune porosité ouverte, ce qui empêche l’oxydation de la couche de liaison.

Utilise [ edit ]

Revêtement de barrière thermique appliqué sur le système d’échappement automobile
Revêtement de barrière thermique appliqué sur le composite de carbone

Automobile

Les revêtements céramiques à barrière thermique sont de plus en plus courants dans les applications automobiles. Ils sont spécialement conçus pour réduire la perte de chaleur descomposants du système d’échappement du moteur , notamment les collecteurs d’échappement , les enveloppes du turbocompresseur , les collecteurs d’échappement, les tuyaux de descente et les tuyaux d’échappement. Ce processus est également connu sous le nom de ” gestion de la chaleur d’échappement “. Lorsqu’ils sont utilisés sous le capot, ils ont l’effet positif de réduire la température du compartiment moteur, réduisant ainsi la température de l’air d’admission.

Bien que la plupart des revêtements céramiques soient appliqués à des pièces métalliques directement liées au système d’échappement du moteur, les progrès technologiques permettent maintenant d’appliquer des revêtements de barrière thermique par projection plasma sur des matériaux composites. Il est maintenant courant de trouver des composants revêtus de céramique dans les moteurs modernes et des composants de haute performance dans les séries de course telles que la Formule 1 . En plus de fournir une protection thermique, ces revêtements sont également utilisés pour empêcher la dégradation physique du matériau composite due à la friction. Ceci est possible car le matériau céramique adhère au composite (au lieu de coller simplement sur la surface avec de la peinture), formant ainsi un revêtement résistant qui ne s’écaille pas ou ne s’écaille pas facilement.

Bien que des revêtements de barrière thermique aient été appliqués à l’intérieur des composants du système d’échappement, des problèmes ont été rencontrés en raison de la difficulté à préparer la surface interne avant le revêtement.

Aviation

L’intérêt d’accroître l’efficacité des moteurs à turbine à gaz pour les applications aéronautiques a incité à rechercher des températures de combustion plus élevées. L’efficacité de la turbine est fortement corrélée avec la température de combustion. Une combustion à température plus élevée améliore l’efficacité thermodynamique de la machine, ce qui donne un rapport de travail plus favorable par rapport à la chaleur perdue. [9] [ meilleure source nécessaire ] Les revêtements à barrière thermique sont couramment utilisés pour protéger les superalliages à base de nickel des cycles de fusion et thermique dans les turbines d’aviation. Combiné avec le flux d’air frais, les TBC augmentent la température de gaz admissible au-dessus de celle du point de fusion du superalliage. [dix]

Pour éviter les difficultés associées au point de fusion des superalliages, de nombreux chercheurs étudient les composites à matrice céramique (CMC) en tant qu’alternatives à haute température. Généralement, ceux-ci sont fabriqués à partir de SiC renforcé de fibres. Les pièces en rotation sont particulièrement bonnes pour le changement de matériau dû à l’énorme fatigue qu’elles subissent. Non seulement les CMC ont de meilleures propriétés thermiques, mais ils sont également plus légers, ce qui signifie que moins de carburant serait nécessaire pour produire la même poussée pour les avions plus légers. [11] Le changement important n’est cependant pas sans conséquences. À des températures élevées, ces CMC réagissent avec l’eau et forment des composés d’hydroxyde de silicium gazeux qui corrodent la CMC.

SiOH 2 + H 2 O = SiO (OH) 2

SiOH 2 + 2H 2 O = Si (OH) 4

2SiOH 2 + 3H 2 O = Si 2 O (OH) [12]

Les données thermodynamiques pour ces réactions ont été déterminées expérimentalement sur de nombreuses années pour déterminer que Si (OH) 4 est généralement l’espèce vapeur dominante. [13]Des revêtements de barrière environnementale encore plus avancés sont nécessaires pour protéger ces CMC de la vapeur d’eau ainsi que d’autres produits de dégradation environnementaux. Par exemple, lorsque les températures des gaz augmentent vers 1400 K-1500 K, les particules de sable commencent à fondre et à réagir avec les revêtements. Le sable fondu est généralement un mélange d’oxyde de calcium, d’oxyde de magnésium, d’oxyde d’aluminium et d’oxyde de silicium (communément appelé CMAS). De nombreux groupes de recherche étudient les effets nocifs du CMAS sur les revêtements de turbine et comment éviter les dommages. La CMAS est un obstacle important à l’augmentation de la température de combustion des moteurs à turbine à gaz et devra être résolue avant que les turbines ne voient une augmentation importante du rendement à partir de l’augmentation de la température. [14]

Traitement

Dans l’industrie, les revêtements de barrière thermique sont produits de plusieurs façons:

  • Dépôt physique en phase vapeur par faisceau d’électrons: EBPVD
  • Spray au plasma d’ air : APS
  • Oxygène à haute vitesse: HVOF
  • Dépôt en phase vapeur assisté par pulvérisation électrostatique: ESAVD
  • Dépôt direct en phase vapeur

De plus, le développement de revêtements avancés et de méthodes de traitement est un domaine de recherche active. Un tel exemple est le procédé de projection plasma précurseur de solution qui a été utilisé pour créer des TBC avec certaines des conductivités thermiques les plus basses rapportées tout en ne sacrifiant pas la durabilité cyclique thermique.

Références

  1. Jump up^ F.Yu et TDBennett (2005). “Une technique non destructive pour déterminer les propriétés thermiques des revêtements de barrière thermique”. J. Appl. Phys . 97 : 013520. doi :10.1063 / 1.1826217 .
  2. Jump up^ “Matériaux de revêtement de barrière thermique” . Matériaux aujourd’hui . 8 : 22-29. doi : 10.1016 / S1369-7021 (05) 70934-2 .
  3. Aller en haut^ Cao, Vassen R., Stoever D. (2004). “Matériaux céramiques pour revêtements de barrière thermique”. Journal de la Société Européenne de la Céramique . 24 (1): 1-10. doi : 10.1016 / s0955-2219 (03) 00129-8 .
  4. Sautez^ Cao, Xq, R. Vassen et D. Stoever. “Matériaux céramiques pour revêtements de barrière thermique.” Journal de la Société européenne de la céramique 24.1 (2004): 1-10. Web
  5. Aller en haut^ Padture Nitin P .; Gell Maurice; Jordan Eric H. (2002). “Revêtements de barrière thermique pour les applications de moteurs à turbine à gaz”. La science . 296 (5566): 280-284. doi : 10.1126 / science.1068609 .
  6. Aller en haut^ Padture Nitin P .; Gell Maurice; Jordan Eric H. (2002). “Revêtements de barrière thermique pour les applications de moteurs à turbine à gaz”. La science . 296 (5566): 280-284. doi : 10.1126 / science.1068609 .
  7. Aller en haut^ Cao, Vassen R., Stoever D. (2004). “Matériaux céramiques pour revêtements de barrière thermique”. Journal de la Société Européenne de la Céramique . 24 (1): 1-10. doi : 10.1016 / s0955-2219 (03) 00129-8 .
  8. Jump up^ “Matériaux de revêtement de barrière thermique” . Matériaux aujourd’hui . 8 : 22-29. doi : 10.1016 / S1369-7021 (05) 70934-2 .
  9. Aller en haut^ Moteur thermique
  10. Jump up^ Perepezko JH (2009). “Plus le moteur est chaud, mieux c’est” . La science . 326 : 1068-1069. doi : 10.1126 / science.1179327 . PMID  19965415 .
  11. Aller^ Evans AG; Clarke DR; Levi CG “L’influence des oxydes sur les performances des turbines à gaz avancées” . Journal de la Société Européenne de la Céramique . 28 : 1405-1419. doi : 10.1016 / j.jeurceramsoc.2007.12.023 .
  12. Aller en haut^ Padture NP; Gell M .; Jordan EH (2002). “Revêtements de barrière thermique pour les applications de moteurs à turbine à gaz” . La science . 296 : 280-284. doi : 10.1126 / science.1068609 .
  13. Aller en haut^ Jacobson Nathan S .; Opila Elizabeth J .; Myers Dwight L .; Copland Evan H. (2005). “Thermodynamique des espèces en phase gazeuse dans le système Si-O-H” . Le Journal of Chemical Thermodynamics . 37 (10): 1130-1137. doi :10.1016 / j.jct.2005.02.001 .
  14. Sautez^ Zhao H .; Levi CG; Wadley HNG “Interactions de silicates fondus avec des revêtements de barrière thermique”. Technologie de surface et de revêtement . 251 : 74-86. doi :10.1016 / j.surfcoat.2014.04.007 .