Étude tribologique à hautes températures de matériaux céramiques structurés à différentes échelles

Tribological study at high temperatures of ceramic materials structured at different scales

Estudio tribológico a altas temperaturas de materiales cerámicos estructurados a diferentes escalas

• Auteur / Autrice : Iván David Franco Correa
• Direction : Hélène Ageorges, Fabio Vargas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux céramiques et traitements de surface
• Date : Soutenance le 25/11/2019
• Etablissement(s) : Limoges en cotutelle avec Universidad de Antioquia (Medellin)
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement d'accueil : Universidad de Antioquia (Medellin)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche sur les CERamiques
• Jury : Président / Présidente : Alain Denoirjean
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : María Esperanza López Gómez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Erick Meillot, Luca Lusvarghi, John Dayro Henao

Mots clés

Mots clés contrôlés

Zircone

Mullite

Alumine

Projection au plasma

Effets des hautes températures

Matériaux céramiques

Mots clés libres

Usure à haute température

Revêtement monocouche

Revêtement bicouche

Revêtement finement structuré

Revêtement microstructuré

Réfractaire en volume

Éfractaire à échelle submillimétrique

Déformation ductile

Déformation fragile

Projection flamme

Zircone-alumine

Zircone-yttrine

Wear at high temperature

Single and bilayer coatings

Finely and microstructured coatings

Volume refractories

Submillimetric refractories

Ductile and brittle deformation

Flame spraying

Zirconia-alumina

Zirconia-yttria

Desgaste a alta temperatura

Recubrimientos mono-capa y bi-capa

Recubrimientos finamente estructurados y microstructurados

Refractarios en volumen

Refractarios a escala submilimétrica

Deformación dúctil

Deformación frágil

Proyección térmica por llama

Circona-alúmina

Circona-itria

Résumé

Dans le but d’évaluer la performance et de comprendre les mécanismes d'usure, à haute température, de matériaux céramiques, de compositions chimiques différentes (Al2O3, base ZrO2, mullite), à différentes échelles de structure (finement structuré, microstructuré et submillimétrique) et de configurations différentes (monocouche, bicouche et en volume), des revêtements céramiques ont été réalisés par projection plasma à pression atmosphérique sur un substrat céramique silico-alumineux. Les revêtements d’Al2O3, de ZrO2-Al2O3 et de ZrO2- Y2O3 correspondant à la configuration monocouche ont été élaborés avec deux échelles de structure : finement structurée et microstructurée. Tandis que les revêtements de mullite/Al2O3, mullite/ ZrO2-Al2O3 et mullite/ ZrO2-Y2O3 correspondant à la configuration bicouche, ont été réalisés avec la couche supérieure (top coat) de mullite microstructurée sur les sous-couches (bond coat) finement structurés et microstructurés. Les revêtements ont été comparés à des réfractaires électrofondus d’Al2O3 et d’AZS correspondant à la configuration en volume à l’échelle submillimétrique, utilisés comme références en raison de leur grande résistance à l’usure à haute température dans les industries de fabrication du verre et des ciments. Tous les matériaux céramiques ont été exposés à des conditions d’usure par contact glissant (5 N, 20000 tours et 0,10 m.s-1) avec un tribomètre de type bille sur disque à des températures de 25, 500, 750 et 1000 °C. Les résultats indiquent que l’usure des revêtements d’Al2O3, de ZrO2- Al2O3 et de ZrO2-Y2O3 à 25 et 1000 °C est due à une déformation ductile, avec des taux d’usure respectifs de l’ordre de 10-4-10-6 et 10-4-10-5 mm3.N-1.m-1, tandis qu’à 500 et 750 °C l’usure se fait par déformation fragile avec des taux d’usure de l’ordre de 10-3-10-4 mm3.N-1.m-1 pour les deux températures. La résistance à l’usure a été trouvée légèrement supérieure dans les revêtements finement structurés principalement en raison de la ténacité plus élevée. Pour les deux réfractaires électrofondus en volume à échelle submillimétrique, l’usure par déformation ductile est prépondérante à 1000 °C, avec des taux d’usure de l’ordre de 10-4 mm3.N-1.m-1. Pour les systèmes bicouches de mullite, l’usure par déformation fragile a été observée à toutes les températures évaluées, avec des taux d’usure de l’ordre de 10-3-10-4 mm3.N-1.m-1, sans montrer aucune amélioration du fait de la présence d’une sous-couche céramique. En cherchant des solutions plus économiques et pour d’autres applications, le comportement tribologique à haute température a également été étudié sur des revêtements d’Al2O3 finement structurés et microstructurés, réalisés par projection à la flamme oxyacétylénique, plus économique que la projection plasma, ainsi que sur les mêmes revêtements d’Al2O3 réalisés par projection plasma sur un substrat métallique d’Inconel 718, couramment utilisé dans les industries spatiale et aéronautique. Dans les deux cas, les résultats étaient similaires à ceux obtenus par projection plasma sur un substrat réfractaire.

In order to evaluate and to understand the wear performance and mechanisms at high temperatures that take place when different chemical compositions (Al2O3, ZrO2, mullite), scales (finely structured, microstructured and submillimetric) and configurations (single layer, bilayer and volume) interact, atmospheric plasma sprayed coatings manufactured on a silicoaluminous ceramic substrate were used. The Al2O3, ZrO2-Al2O3 and ZrO2-Y2O3 coatings correspond to the monolayer configuration, as well as the finely and microstructured scales, while the Mullite/Al2O3, Mullite/ ZrO2-Al2O3 and of Mullite/ ZrO2-Y2O3 correspond to the bilayer configuration, where the outer mullite layer is microstructured and the sub-layers can correspond to finely and microstructured scales. In the same way, the Al2O3 and AZS commercial refractories correspond to the volume configuration and the submillimeter scale, taking into account that these have also been used as references because of the high resistance to wear that they show in glass and cement industries. Subsequently, these ceramic materials were subjected to sliding contact wear conditions (5 N, 20000 rpm and 0,10 ms-1) with a ball on disk tribometer at temperatures of: 25, 500, 750 and 1000 °C. The results indicate that the wear of the Al2O3, ZrO2-Al2O3 and ZrO2-Y2O3 coatings at 25 and 1000 ° C was by ductile deformation, showing wear rates of the order of 10-4-10- 6 and 10-4-10-5 mm3.N-1.m-1 respectively, while at 500 and 750 °C was by brittle deformation with wear rates of the order of 10-3-10-4 mm3.N-1.m-1 for both temperatures, finding a slightly higher wear resistance in finely structured coatings due primarily to toughness. Regarding the two electro-melted volume refractories at submillimetric scale, they showed wear by ductile deformation only at 1000 °C, showing wear rates of the order of 10-4 mm3.N-1.m-1. On the other hand, the mullite bilayer systems showed wear by brittle deformation at all evaluated temperatures, with wear rates of the order of 10-3-10-4 mm3.N-1.m-1, without showing any improvement at all because of the presence of the sub-layers. Finally, aiming to seek more economical options, as well as to give other applications to the materials studied, it has also been determined the influence on wear at high temperature of Al2O3 coatings, finely and microstructured, manufactured by the chep technique of oxy-flame spraying, as well as the same Al2O3 coatings manufactured by plasma spraying on a metallic substrate of Inconel 718, which is used by the space and aerospace industries, obtaining for both cases comparable and similar results to all those obtained previously.

Con el fin de evaluar el desempeño y comprender los mecanismos de desgaste de materiales cerámicos que se producen a alta temperatura cuando diferentes composiciones químicas (Al2O3, base ZrO2, mullita), diferentes escalas de estructura (finamente estructurado, microestructurado y submilimétrico) y diferentes configuraciones (mono-capa, bi-capa y en volumen) interactúan, fueron realizados recubrimientos cerámicos por proyección térmica de plasma sobre un sustrato cerámico silico-aluminoso. Los recubrimientos de Al2O3, ZrO2-Al2O3 y ZrO2-Y2O3 corresponden con la configuración mono-capa y con las escalas finamente estructurada y microestructurada. Mientras que los recubrimientos de mullita/Al2O3, mullita/ ZrO2-Al2O3 y mullita/ ZrO2-Y2O3 corresponden con la configuración bi-capa, donde la capa superior de los recubrimientos es de mullita microstructurada y las subcapas pueden ser finamente estructuradas y microestructuradas. Dichos recubrimientos fueron comparados con refractarios electrofundidos de Al2O3 y AZS correspondientes con la configuración en volumen y con la escala submilimétrica, los cuales también fueron utilizados como referencias debido a sus altas resistencias al desgaste a altas temperaturas en industrias tales como: la del vidrio y el cemento. Todos los materiales cerámicos fueron sometidos a condiciones de desgaste por contacto deslizante (5 N, 20000 vueltas y 0,10 m.s-1) con un tribómetro de tipo bola-disco a temperaturas de 25, 500, 750 y 1000 °C. Los resultados indican que el desgaste en los recubrimientos de Al2O3 y base ZrO2 a 25 y 1000 °C fue por deformación dúctil, con tasas de desgaste de 10-4-10-6 et 10-4-10-5 mm3.N-1.m-1 respectivamente, mientras que a 500 y 750 °C el desgaste fue por deformación frágil con tasas de desgaste del orden de 10-3-10-4 mm3.N- 1.m-1 para ambas temperaturas y ambos materiales. La resistencia al desgaste en los recubrimientos finamente estructurados fue ligeramente superior debido principalmente a la mayor tenacidad tenacidad a la fractura. Para los dos refractarios electrofundidos en volumen a escala submilimétrica, el desgaste por deformación dúctil fue detectado solo a 1000 °C, con tasas de desgaste del orden de 10-4 mm3.N-1.m-1. Para los sistemas bi-capa de mullita, el desgaste por deformación frágil se observó a todas las temperaturas evaluadas, con tasas de desgaste del orden de 10-3-10-4 mm3.N-1.m-1, sin mostrar ninguna mejora debido a la presencia de una subcapa cerámica. Finalmente, en aras de buscar tanto soluciones más económicas como otras aplicaciones, el comportamiento tribológico a alta temperatura se estudió también en recubrimientos de Al2O3 finamente estructurados y microestructurados, realizados mediante proyección térmica de llama oxiacetilénica, más económica que la proyección de plasma, así como sobre los mismos recubrimientos de Al2O3 realizados mediante proyección de plasma sobre un sustrato metálico de Inconel 718, utilizado comúnmente en las industrias espacial y aeronáutica. En ambos casos, los resultados fueron similares a los obtenidos por plasma o por sustrato refractario.