Revêtements multicouches avancés à base de phases MAX pour applications hautes températures

Advanced multilayer coatings based on MAX phases for high temperature applications

• Auteur / Autrice : Jorge Camilo Sanchez espinoza
• Direction : Elisabeth Blanquet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, électrochimie, génie civil
• Date : Soutenance le 14/12/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et ingénierie des matériaux et procédés (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Thierry Ouisse
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Antoine Guitton
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sylvain Jacques, Sylvie Foucaud

Mots clés

Mots clés libres

MAX phases

Applications hautes températures

Revêtement

Cvd

High temperature applications

MAX phases

Multilayer

Cvd

Résumé

Une famille de matériaux de carbure et de nitrure, appelés phases MAX (M : métal de transition, A : un des éléments du groupe A, X : C ou N), présente des perspectives intéressantes, en raison de leur combinaison unique de propriétés de type céramique et métal qui en font d'excellents matériaux candidats pour de nouvelles technologies énergétiques plus propres. Dans cette thèse, un procédé de revêtement pour des applications à haute température basé sur la phase MAX par dépôt chimique réactif en phase vapeur à haute température (HT-RCVD) a été proposé. En particulier, des revêtements de carbure de silicium et de titane (Ti3SiC2) en phase MAX et de carbure de silicium (SiC) ont été préparés. Des essais de dépôt monocouche (mélange de composés Ti-Si-C) et multicouche (Ti3SiC2-SiC) ont été réalisés. Du SiC polycristallin a été utilisé comme substrat réactif avec du TiClx(g) produit in situ afin de former la phase Ti3SiC2 MAX. Les morphologies et les phases en coupe transversale ont été étudiées par microscopie électronique à balayage (MEB), diffraction des rayons X (DRX) et cartographie automatisée de l'orientation des cristaux en microscopie électronique à transmission (ACOM-TEM). Des calculs thermodynamiques ont été effectués afin de sélectionner une composition gazeuse plus appropriée aux conditions du réacteur et de comprendre la chimie de la réaction entre les couches dans les différentes étapes. Des tests d'oxydation et des mesures d'émissivité ont permis d'évaluer les revêtements Ti3SiC2-SiC comme matériaux pour des applications à haute température. Les systèmes multicouches ont conservé leur intégrité mécanique et ont montré une faible dégradation après 25 h de cycles thermiques à 900 °C dans l'air. La mesure des propriétés optiques a également révélé une augmentation de l'absorptivité après l'oxydation de l'échantillon de surface Ti3SiC2.

A family of carbide and nitride materials, called MAX (M: transition metal, A: one of the Group A elements, X: C or N) phases, present interesting prospects, due to their unique combination of ceramics- and metal-like properties that make them excellent candidate materials for new cleaner energy technologies. In this thesis, a coating process for high-temperature applications based on MAX phase by high temperature reactive chemical vapor deposition (HT-RCVD) was proposed. In particular, titanium silicon carbide (Ti3SiC2) MAX phase and silicon carbide (SiC) coatings were prepared. Single-layer (mixture of Ti-Si-C compounds) and multi-layer (Ti3SiC2-SiC) deposition tests were carried out. Polycrystalline SiC was used as reactive substrate with in situ produced TiClx(g) in order to form Ti3SiC2 MAX phase. Cross-section morphologies and phases were studies by scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD) and automated crystal orientation mapping in transmission electron microscopy (ACOM-TEM). Thermodynamic calculations were carried out to select more appropriate gas composition for reactor conditions and understand the chemistries of reaction between layers in the different steps. Oxidation tests and emissivity measurements allowed the evaluation of Ti3SiC2-SiC coatings as materials for high temperature applications. The multilayered systems kept their mechanical integrity and showed low degradation after 25 h of thermal cycles at 900 °C in air. The measurement of the optical properties also revealed an increase of the absorptivity after the oxidation of Ti3SiC2 surface sample