Approche intégrée de l'élaboration de revêtements céramiques oxydes par Aerosol Deposition Method (ADM) : des poudres amont aux propriétés avales

Integrated approach on the development of oxide ceramic coatings by Aerosol Deposition Method (ADM) : from upstream powders to downstream properties

• Auteur / Autrice : Thomas Pere
• Direction : Alain Denoirjean, Fabrice Rossignol, Olivier Durand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux céramiques et traitements de surface
• Date : Soutenance le 28/11/2023
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie (Limoges ; 2022-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche sur les CERamiques (Limoges ; 2012-....)
• Jury : Président / Présidente : Marie-Pierre Planche
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Marc Heintz, Vincent Guipont
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bertrand Jodoin, Luca Lusvarghi
• DOI : 10.70675/2f6b6d54z92a2z41dez8beaz019e3e278d34

Mots clés

Mots clés contrôlés

Revêtement de céramique

Poudres céramiques

Zircone

Alumine

Mots clés libres

Revêtements céramiques

Aerosol Deposition Method

Projection cinétique

Ceramic coatings

Aerosol Deposition Method

Ceramic powders

Zirconia

Aluminium Oxide

Kinetic spray process

Résumé

Cette thèse porte sur le développement d’un nouveau procédé cinétique de projection par voie sèche appelé Aerosol Deposition Method (ADM). Assimilé à un Cold Spray sous vide, il permet de réaliser des revêtements céramiques nanostructurés à température ambiante par un phénomène de déformation plastique des grains et de fragmentation de ces derniers lors de leur impact à grande vitesse sur le substrat. L’obtention à l’état solide de couches minces ou épaisses est ainsi possible, ouvrant de nouvelles perspectives d’applications et d’intégrations de la céramique avec d’autres matériaux.Ces travaux s’articulent autour de la fabrication par ADM de revêtements de deux céramiques oxydes, l’alumine et la zircone yttriée. Les caractéristiques clés des matières pulvérulentes amont en lien avec les résultats de projection sont établies. Différents traitements de broyage et thermiques sont appliqués sur des poudres commerciales afin d’adapter la matière première au procédé ADM. Les mécanismes conduisant à la consolidation à froid des revêtements sont explicités.Les propriétés des revêtements obtenus sont étudiées qu’elles soient optiques, mécaniques ou encore microstructurales. En particulier, la quantification des défauts microstructuraux et des contraintes résiduelles engendrées par le procédé ADM est réalisée par affinement structural. Il est, en outre, montré l’effet bénéfique de recuits thermiques post-dépôt pour restaurer la microstructure. Une préétude est également menée sur les phénomènes de décharge luminescente ou plasmas observés en cours de dépôt. Elle confirme que la consolidation intervient bien à froid, ou tout au moins à température modérée.Au regard des revêtements obtenus et de leurs propriétés optimisées, différents champs applicatifs sont identifiés, tels que les piles à combustible à oxyde solide et des revêtements anti-usure. Finalement, des perspectives d’évolution du procédé telles que l’hybridation avec un plasma sont formulées en vue d’augmenter les rendements de dépôt et les épaisseurs atteignables.

This thesis focuses on the development of a novel kinetic dry aerosol projection process known as the Aerosol Deposition Method (ADM). Similar to a vacuum Cold Spray, it enables the fabrication of nanostructured ceramic coatings at room temperature through a phenomenon of plastic deformation and fragmentation of grains upon their impact at high velocity on the substrate. ADM allows for the solidstate deposition of thin or thick layers, opening up new possibilities for ceramic applications and integration with other materials.This study relies on the production of coatings using ADM for two oxide ceramics, alumina and yttriastabilized zirconia. The key characteristics of the starting powdered materials in relation to the projection results are established. Various grinding and thermal treatments are applied to commercial powders to adapt the raw materials to the ADM process. The mechanisms leading to the consolidation of coatings at room temperature are explained.The optical, mechanical, and microstructural properties of the obtained coatings are investigated. In particular, the quantification of microstructural defects and residual stresses generated by the ADM process is achieved through structural refinement. Additionally, the beneficial effect of post-deposition thermal annealing on microstructure restoration is demonstrated. A preliminary study is also conducted on luminescent discharge or plasma phenomena observed during the deposition, confirming that the consolidation indeed occurs at room temperature, or at least at moderate temperatures.Considering the obtained coatings and their optimized properties, various application areas are identified, such as solid oxide fuel cells and anti-wear coatings. Finally, prospects for the development of the process, such as hybridization with a plasma, are proposed to enhance deposition efficiency and achievable thicknesses