Nouvelles compositions de revêtements de zircone subsituée (Y, La, Sm, Er) élaborés par la voie sol-gel : application aux barrières thermiques multicouches

New composing of coating based on zirconia-rare earth (Y, La, Sm, Er) composite oxidees prepared by the sol-gel route for multilayered thermal barrier coatings applications

• Auteur / Autrice : Justine Fenech
• Direction : Florence Ansart, Jean-Pierre Bonino
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Isolation thermique

Zircone

Sol-gel, Procédé

Mots clés libres

Sol-gel

Zircone

Oxydes de terres rares

Aérogel

Schage supercritique

Revêtement

Barrière thermique

Structure

Microstructure

Isolation thermique

Oxydation cyclique

Cmas

Résumé

Ces travaux de thèse ont pour objectif de démontrer les potentialités qu'offre la voie sol-gel pour élaborer des revêtements à base de zircone pour des applications haute température de type barrière thermique. Ce procédé bas coût en phase liquide, associé au procédé de mise en forme par trempage-retrait, a été choisi car il possède l'avantage d'induire une structure à porosité isotrope contrairement aux deux procédés physiques utilisés dans l'industrie (projection plasma et EB-PVD) et de produire aisément des revêtements multicouches d'oxydes d'une grande pureté dont la stœchiométrie peut être contrôlée. Des revêtements de zircone yttriée (YSZ) mis en forme par dip-coating à partir de poudres de zircone dopée 9,7%mol. YO1,5 dispersées dans un sol de même nature puis traitées à 950°C, présentant la phase quadratique métastable t', homogènes, et parfaitement adhérents à des substrats métalliques base nickel de type NiCrAlY ou (Ni,Pt)Al, ont été obtenus. L'optimisation de ces revêtements est due à la réduction granulométrique des particules YSZ, à partir d'un nouveau mode de séchage du gel précurseur de zircone : le séchage supercritique. Les résultats obtenus montrent par ailleurs qu'il est possible d'ajuster la morphologie finale du revêtement en modifiant la température de calcination des poudres YSZ. En vue d'accroître l'isolation thermique des systèmes barrière thermique, tout en maintenant une bonne accommodation des contraintes thermomécaniques, des revêtements épais multicouches composés de poudres de zircone yttriée et de zircone dopée samarium ou erbium (couches surfaciques) élaborés par la voie sol-gel, ont également été élaborés. Enfin des essais préliminaires ont consisté à tester des barrières thermiques YSZ en oxydation cyclique ainsi qu'à l'exposition à de polluants silicateux (oxydes de type CMAS) afin d'évaluer les modes de dégradation.

The main objective of this work is to prove the potentialities of the sol-gel process for the elaboration of zirconia based coatings for thermal barrier coating (TBC) applications. Combined with the dip-coating process, the sol-gel route presents the advantage to induce an isotropic porosity contrary to the physical Plasma Spray or EB-PVD physical processes used in the industry, but also multilayered coatings of oxides with a controlled stœchiometry. After the dip-coating process in a starting sol (9. 7mol% YO1. 5) loaded with a suspension of yttria stabilized zirconia (YSZ) powder of the same composition, and sintering at 950°C, homogenous YSZ coatings presenting the metastable tetragonal t' phase are obtained on nickel based superalloys substrates (NiCrAlY or (Ni,Pt)Al). The optimization of these coatings is mainly due to the decrease of the YSZ particle granulometry due to the supercritical drying of the zirconia gel. Results show that it is possible to adjust the final morphology of the coating by modifying the calcination temperatures of YSZ powders. In order to improve the thermal insulation of the TBCs, multilayered systems composed of erbia and samaria doped zirconia in the upper layer and a conventional YSZ coating with the required t' phase close to the interface to increase the thermomechanical properties, were elaborated. Finally, preliminary cyclic oxidation tests were performed on YSZ sol-gel coatings but also the degradation by molten CMAS oxides was studied in order to evaluate these two damaging modes.