Développement d’une barrière environnementale à tenue thermochimique et mécanique accrue pour des températures de fonctionnement de 2700°F

Development of an 2700°F + capable EBC with enhanced thermochemical and mechanical properties

• Auteur / Autrice : Marie Salles
• Direction : Francis Rebillat, Yann Le Petitcorps
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-Chimie de la Matière Condensée
• Date : Soutenance le 19/03/2021
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Composites Thermostructuraux (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Lours
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Francis Rebillat, Yann Le Petitcorps, Philippe Lours, Fernando Pedraza Diaz, Céline Pascal, Lisa Pin, Florence Ansart, Guillaume Pujol
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fernando Pedraza Diaz, Céline Pascal

Mots clés

Mots clés contrôlés

Avions -- Turboréacteurs

Oxydation

Composites à matrice céramique

Revêtements protecteurs

Mots clés libres

Barrière environnementale

Oxydation

Sous-Couche

Environmental Barrier Coating

Oxidation

Bond coat

Résumé

Des revêtements appelés barrières environnementales sont en cours de développement afin de protéger les Composites à Matrice Céramique (SiC/SiC) utilisés pour les pièces situées dans les parties chaudes des futures générations de turboréacteurs. Le mécanisme de ruine le plus observé pour ce type de revêtement est une délamination suite à leur oxydation en présence de vapeur d’eau. En service, la vapeur d’eau diffuse à travers le revêtement en silicate de terre rare et forme par réaction avec la sous-couche en silicium une couche de silice, appelée TGO (Thermally Grown Oxide). Au cours du refroidissement, la silice, cristallisée sous forme de cristobalite, subit une transformation de phase de la structure β à α qui s’accompagne d’une contraction volumique de 4 – 5 %. Cette variation volumique provoque l’apparition de microfissures au sein de la couche d’oxyde et mène à une délamination du revêtement après cyclage thermique. L’objectif de cette thèse est d’identifier de nouvelles compositions de sous-couche permettant d’améliorer la durée de vie des barrières environnementales. Plusieurs compositions ont été sélectionnées afin d’étudier leur capacité à empêcher la cristallisation de la silice ou à la stabiliser au sein d’un silicate. Des échantillons non revêtus (sous-couche seule) ou revêtus (système tricouche : disilicate yttrium/sous-couche/disilicate d’yttrium) ont été élaborés par frittage flash (Spark Plasma Sintering). Ces échantillons ont été soumis à des tests d’oxydation de quelques centaines d’heures à la température ciblée (1300°C ou 1400°C) sous une atmosphère présentant une teneur en vapeur d’eau contrôlée (50 kPa H2O/50 kPa air) et sous de faibles vitesses de gaz (≈ 30 – 35 cm/s en zone chaude). Les cinétiques d’oxydation, la structure de la couche d’oxyde, la compatibilité thermochimique et la formation de fissures au sein de la TGO et à l’interface (TGO/disilicate d’yttrium et sous-couche/TGO) ont été comparées au système silicium de référence.

Advanced environmental barrier coatings (EBC) are being developed to protect SiC/SiC ceramic matrix composites (CMC) used in hot-section components of next-generation gas turbine engines. One of the most reported failure modes of such protections is spallation due to oxidation by water vapor. During operation, water vapor diffuses through the rare earth silicate top coat and reacts with the silicon bond coat to form a silica layer known as TGO (Thermally Grown Oxide). During cooling, the phase transformation of silica from β-cristobalite to α-cristobalite leads to a 4 – 5 % volume contraction. As a result, microfractures appear in the TGO and delamination of the coating occurs upon cycling. This work aims to identify new bond coat compositions to enhance EBC lifetime. Several compositions were selected to prevent crystallization of silica or to stabilize it by the formation of a silicate. Uncoated (bond coat only) and coated samples (tri-layer system: yttrium disilicate/bond coat/yttrium disilicate) were elaborated by Spark Plasma Sintering. These samples were exposed to a wet atmosphere (50 kPa air and 50 kPa H2O, 1300 or 1400°C, low gas velocity in the hot zone 30 – 35 cm/s) for hundreds of hours. Oxidation rates, structure of the TGO, thermochemical compatibility and crack formation in the TGO and at the interface (TGO/yttrium disilicate and bond coat/TGO) are compared with the silicon bond coat reference system.