Fonctionnalisation de barrières thermiques aéronautiques YSZ issues de la voie sol-gel : mesure de température et diagnostic de l'endommagement par fluorescence

Functionalisation of thermal barrier coatings synthesized by a sol-gel route : temperature measurement and damage monitoring by fluorescence methods

• Auteur / Autrice : Etienne Copin
• Direction : Yannick Le Maoult, Philippe Lours
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 10/12/2015
• Etablissement(s) : Ecole nationale des Mines d'Albi-Carmaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader-Albi (2009-....) - Institut Clément Ader / ICA
• Jury : Président / Présidente : Florence Ansart
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yannick Le Maoult, Philippe Lours, John Rayment Nicholls, Alain Garcia, Jean-Christophe Batsale, Nicole Fréty, Thierry Sentenac
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : John Rayment Nicholls, Alain Garcia

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sol-gel, Procédé

Contrôle non destructif

Thermométrie

Fluorescence

Avions -- Turboréacteurs

Mots clés libres

Turboréacteur

Barrière thermique

Fluorescence

Mesure de température

Contrôle non destructif

Sol-gel

Aeroengine

Thermal barrier coating

Fluorescence

Temperature measurement

Nondestructive testing

Sol-gel

Résumé

L'objectif de la thèse est de développer des systèmes de Barrières Thermiques (BT) « capteurs » base zircone yttriée (ZrO2 + 9.8mol% Y2O3, YSZ) déposés par voie sol-gel selon un procédé de trempage-retrait. Ceux-ci sont dédiés à la mesure de la température par des méthodes de thermométrie par fluorescence et au suivi de l'endommagement dans l'épaisseur des revêtements. Les méthodes proposées sont basées sur le suivi de l'évolution, notamment avec la température, des propriétés de photoluminescence de marqueurs fluorescents lanthanides Ln3+, tels que l'europium Eu3+, le dysprosium Dy3+, l'erbium Er3+, le samarium Sm3+ ou encore le thulium Tm3+. Ceux-ci sont directement incorporés dans la structure de la zircone, semi-transparente dans le domaine d'émission visible de ces marqueurs. Un banc de mesure des propriétés de fluorescence (spectres, intensités et temps de vie) a spécifiquement été développé dans ce but. La caractérisation des différents couples YSZ:Ln3+ sous forme de poudres synthétisées par voie sol-gel a permis d'optimiser les compositions de manière à maximiser l'intensité du signal de fluorescence tout en préservant les propriétés microstructurales requises pour une BT. Les dépôts sol-gel réalisés par trempage-retrait permettent la fabrication de prototypes de BT multicouches fonctionnalisées intégrant jusqu'à trois couches fluorescentes de longueurs d'onde d'émission distinctes. De tels systèmes architecturés permettent de sonder optiquement la totalité de l'épaisseur de zircone déposée pour de futures applications visant à évaluer les gradients thermiques siégeant dans le volume des revêtements. Des BT fonctionnalisées contenant des défauts de délamination pré-calibrés à l'interface métal/céramique ont été également utilisées pour comparer l'intérêt d'une méthode de fluorescence accrue par réflectance et d'une méthode de thermographie infrarouge pour le suivi et l'évaluation des processus d'endommagement précurseurs de l'écaillage. Enfin, le potentiel qu'offrent les poudres de zircone YSZ:Ln3+ dopées en tant que marqueurs fluorescents de l'histoire thermique, alternatifs aux peintures thermiques utilisées industriellement, a aussi été analysé.

The aim of this work is to develop and study yttria stabilised zirconia (ZrO2 + 9.8at% Y2O3, YSZ) based thermal barrier coating (TBC) « sensor » systems deposited by a dip coating sol-gel process, and dedicated to temperature measurement and to the monitoring of damaging occuring within the thickness of the coatings, using fluorescence thermometry methods. These methods are based on the monitoring of the fluorescence properties of photoluminescent activators from the trivalent lanthanide ions group (Ln3+), such as samarium Sm3+, europium Eu3+, dysprosium Dy3+, erbium Er3+ and thulium Tm3+. These activators are directly incorporated into the zirconia YSZ host matrix lattice, which is semi-transparent at their emission wavelengths mainly falling in the visible range. An experimental set up was especially developped for the application of these methods. The characterisation of the different YSZ:Ln3+ powders synthesized by a sol-gel process allowed to optimise the compositions, and thus maximize the fluorescence signal intensity while avoidind any alteration of the zirconia crystal structure required from for a TBC material. The sol-gel dip coating process allowed to deposit functionalised multilayer TBC prototypes integrating up to three fluorescent layers with distinct emission wavelengths distributed throughout the thickness. Such coating architectures allow, with the fluorescence thermometry methods identified, to optically probe the coating across the whole thickness for future applications aiming to determine the thermal gradient in TBCs. Functionalised TBCs containing pre-calibrated delamination defects at the metal/ceramic interface were also used to compare the interest of the reflectance enhanced fluorescence method and an IR thermography method for early monitoring of TBC spallation. At last, the potential offered by YSZ:Ln3+ powders as thermal history sensors alternative to temperature sensitive paints was also investigated.