Synthèse et comportement à haute température des revêtements auto-régénérants

Synthesis and high-temperature behavior of self-restoring coatings

• Auteur / Autrice : Romain Troncy
• Direction : Gilles Bonnet, Fernando Pedraza Diaz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 30/11/2021
• Etablissement(s) : La Rochelle
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Euclide (La Rochelle ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Sciences de l’Ingénieur pour l’Environnement (La Rochelle)
• Jury : Président / Présidente : Henri Buscail
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gilles Bonnet, Fernando Pedraza Diaz, Henri Buscail, Cecilia Bartuli, Juan José de Damborenea, Véronique Gauthier-Brunet, Céline Pascal
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Cecilia Bartuli, Juan José de Damborenea

Mots clés

Mots clés contrôlés

Revêtements protecteurs

Dépôt électrolytique

Aluminiage

Effets des hautes températures

Turbines à gaz

Mots clés libres

Revêtements auto-régénerants

Aluminothermie

Électrodéposition

Aluminisation barbotine

NiAl-Al2O3

Self-regenerating coatings

Aluminothermic reactions

Electrodeposition

Slurry aluminizing

NiAl-Al2O3

Résumé

La sélection des matériaux utilisés dans les parties chaudes des moteurs aéronautiques ou dans les centrales de production d’énergie est devenue un enjeu crucial au vu des impératifs écologiques et économiques. L’un des composants critiques de ces systèmes sont les aubes de turbine dont la tenue mécanique est assurée par la nature des substrats employés (aciers et superalliages à base nickel). Cependant, leur tenue environnementale nécessite l’application de revêtements protecteurs source d’Al capables de former de barrières d’oxyde (Al2O3) imperméables à l’attaque externe par oxydation et corrosion aux hautes températures. L’épuisement de l’Al pour former l’oxyde et par interdiffusion avec le substrat conduit inexorablement à la perte de protection. Ainsi, des structures spécifiques de revêtement telles les barrières de diffusion peuvent alors être mises en place pour augmenter la durée des vies des aubes au détriment de leurs propriétés mécaniques et de coûts élevés de fabrication et environnementaux. Durant cette étude, des nouvelles voies originales de synthèse des revêtements de diffusion d’aluminium « autorégénérants » ont été étudiées. Ces revêtements disposent d’une structure composite, avec une matrice de phases intermétallique (NixAly) renforcée par des microréservoirs constitués d’un cœur (NixAly) et d'une paroi en Al2O3 à travers laquelle l’Al du cœur peut ravitailler la matrice et maintenir une concentration globale en Al suffisamment élevée dans la matrice capable de former la couche externe protectrice d’Al2O3.Nos études démontrent que les réactions aluminothermiques entre du NiO et l’Al permettent de former un tel revêtement autorégénerant avec une barrière de diffusion à l’interface substrat/revêtement lorsque le Ni est initialement pré-oxydé à 1100°C pendant 2h. Néanmoins, aucun compromis n’a été trouvé pour former des revêtements sans NiO résiduel qui pourrait compromettre l’adhérence du revêtement au substrat. En revanche, une voie électrochimique permet d’incorporer de microparticules d’Al3Ni2 dans des électrodépots de Ni. A la suite d’un traitement d’aluminisation par barbotine, les microparticules préoxydées s’incorporent de manière homogène dans un revêtement de β-NiAl. Après traitement d’oxydation isotherme à 1000°C durant 48h, ce revêtement par voie électrodéposition + aluminisation présente une teneur en aluminium supérieure à 40 at%, ce qui est supérieur à un revêtement de diffusion absent de microréservoirs démontrant ainsi le caractère autorégénerant des nouveaux revêtements.

The selection of materials used in the hot parts of aeronautical turbines or in power plants has become a crucial issue in view of ecological and economic imperative. Turbine blades are amongst the most critical components. Their mechanical resistance is ensured by the substrate itself (steels and Ni alloys and superalloys). However, their low environmental resistance requires the application of protective coatings delivering Al to form oxide barriers blocking the external oxidative and corrosive attack. Upon exposure at high temperatures, Al depletes from the coating by oxidation to grow the oxide scale and by interdiffusion with the substrate’s elements resulting in the loss of protection. Some specific coating structures like the diffusion barriers have been investigated in the past but the overall mechanical properties are lowered and the fabrication and environmental costs are high. Therefore, a pioneering and original investigation has been conducted to synthesize “self-regenerating” aluminum diffusion coatings. These coatings are characterized by a composite structure whereby the matrix made of NixAly intermetallic phases is strengthened with microreservoirs made of NixAly core and an Al2O3 shell through which Al diffuses out to maintain the adequate Al concentration in the matrix, hence to stabilize the external protective Al2O3 scale.Our studies demonstrate that the aluminothermic reactions between NiO and Al lead to the formation of such a self-regenerating coating with an interdiffusion barrier at the coating/substrate interface whenever Ni is preoxidized at 1100°C for 2h beforehand. However, all the coatings sintered through this method possess residual NiO, which may compromise their adherence to the substrate. In contrast, the use of electrochemical methods allows to incorporate Al3Ni2 microparticles in the NI electrodeposits. With a subsequent slurry aluminizing treatment, the preoxidized particles incorporate homogeneously in a β-NiAl coating matrix. After exposure at 1100°C for 48h in air, the Al content in the self-regenerating coatings is greater than 40 at% as opposed to the micro-reservoirs-free aluminide coating allowing to demonstrate the self-regenerating property of these new coatings.