Revêtements hybrides thermostables par procédé sol-gel pour fonctionnalisation par projection thermique de pièces aéronautiques en Composites à Matrice Organique (CMO)

Thermostable hybrid coatings by Sol-Gel process to functionalization by thermal spray deposition of aeronautical Carbon Fiber Reinforced Parts (CFRP)

• Auteur / Autrice : Guillaume Penvern
• Direction : Laurence Rozès, Sophie de Monredon-Senani
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 27/09/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie de la matière condensée de Paris (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Bérangère Toury-Pierre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Denoirjean
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Benayoun, Fayna Mammeri

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chimie douce

Aéronautique

Propriétés thermomécaniques

Matériaux hybrides

Revêtements

Sol-gel, Procédé

Mots clés libres

Revêtements hybrides

Aéronautique

Fonctionnalisation de matériaux composites

Procédé Sol-Gel

Propriétés thermomécaniques

Projection thermique

Hybrid coatings

Aeronautical

CFRP functionnalization

Sol-Gel Process

Thermomechanical properties

Thermal spray deposition

Résumé

Ce mémoire présente les travaux effectués dans le cadre d'une thèse CIFRE entre Safran Tech et le Laboratoire de Chimie de la Matière Condensée de Paris (LCMCP). Le sujet de la thèse s'intitule : « Revêtements hybrides thermostables par procédé sol-gel pour fonctionnalisation par projection thermique de pièces aéronautiques en Composites à Matrice Organique (CMO) ». La problématique, rencontrée par Safran et instigatrice de ce projet, concerne l'élaboration d'un bord d'attaque en titane sur les aubes de soufflante (fans) en CMO des turboréacteurs des aéronefs, spécifiquement sur le moteur LEAP. La solution technique actuelle consiste en la conception de deux pièces distinctes sur-mesure assemblées par la méthode du rapporté-collé. Cette solution engendre de nombreuses problématiques de rebus, soit un cout économique et environnemental. Afin de résoudre ces problèmes, Safran souhaite développer une nouvelle solution technique basée sur la conception du bord d'attaque en titane sous forme de revêtement directement déposé sur l'aube en CMO. La projection thermique est la famille de procédés choisie pour obtenir ce revêtement en titane car elle permet d'atteindre des fortes épaisseurs. Ces procédés impliquent des conditions de températures et des cinétiques de particules projetées très élevées. De telles conditions sont destructives qui entrainent des phénomènes de dégradation thermique et d'abrasion mécanique des CMO. Afin de préserver l'intégrité des CMO lors de la projection thermique, la présence d'une couche de liaison protectrice est proposée. Les travaux effectués durant cette thèse et décrits dans ce manuscrit portent sur le développement de cette couche de liaison. Des revêtements hybrides à matrice cellulosique et à renfort silicique sont formulés et développés pour répondre aux conditions évoquées ci-dessus. La composante organique est un dérivé cellulosique, l'hydroxypropyl cellulose (HPC), choisi pour sa propriété thermostable et sa facilité de mise en œuvre sous forme de films. De plus, ce polymère est biosourcé, non-toxique, facilement soluble et respectueux de l'environnement. La composante inorganique retenue est un dérivé silicique qui est utilisé sous forme de réseau tridimensionnel étendu ou de nanoparticules obtenus par procédé sol-gel. Les conditions de chimie douce de ce procédé permettent la compatibilité des composantes lors de la synthèse pour obtenir des matériaux hybrides. L'utilisation d'un agent de couplage permettant de modifier les interactions aux interfaces hybrides est également étudié. Les différentes formulations et compositions développées permettent d'obtenir des matériaux hybrides couvrant une large gamme de propriétés mécaniques, du matériau fortement élastique au matériau viscoplastique, par modification des microstructures engendrées. Toute la gamme de matériaux hybrides développée est déposée sur CMO par des procédés de dépôts en voie liquide. La quantification des propriétés mécaniques et thermiques permet de corréler la résistance des couches de liaison à la projection thermique avec leurs microstructures. Dans un second temps, des essais de dépôts par projection thermique sont effectués au sein de la plateforme technologique SAFIR, par Cold Spray Basse Pression (CSBP) et Air Plasma Spray (APS). Les résultats obtenus permettent d'appréhender les mécanismes de formation des revêtements métalliques et oxydes par la connaissance fine des microstructures et propriétés des couches de liaison hybrides. La compréhension de ces mécanismes a permis de fonctionnaliser les CMO par un système multicouche obtenus par la mise en place et l'optimisation de différents procédés de dépôt.

This report presents work carried out as part of a CIFRE thesis between Safran Tech and the Laboratoire de Chimie de la Matière Condensée de Paris (LCMCP). The subject of the thesis is entitled: ''Thermostable hybrid coatings by Sol-Gel process to functionalization by thermal spraying of aeronautical Carbon Fiber Reinforced Parts (CFRP)''. The problem, encountered by Safran and instigator of this project, concerns the development of a titanium leading edge on CFRP fan blades for aircraft turbojet engines, specifically on the LEAP engine. The current technical solution involves the design of two parts independently, assembled using the glued-bond method. This solution gives rise to a number of scrap problems, which are both economically and environmentally costly. In order to solve these problems, Safran wishes to develop a new technical solution based on the design of a titanium coating deposited directly on the CFRP blade to conceive the leading edge. Thermal spraying is the process family chosen to obtain this titanium coating, as it enables high thicknesses to be reached. These processes involve deposition conditions with very high temperatures and fast particules kinetics. Such conditions are destructive leading to thermal degradation and mechanical abrasion of the CFRPs. To protect the integrity of the CFRPs during thermal spraying, the application of a protective bonding layer is proposed. The work carried out during this thesis and described in this report focuses on the development of this bonding layer. Hybrid coatings with cellulose matrix and silica reinforcement are formulated and developed to resist the conditions of thermal spraying. The organic component is a cellulose-derived polymer, hydroxypropyl cellulose (HPC), chosen for its thermostable properties and ease of processing in film form. In addition, this polymer is biosourced, non-toxic, easily soluble and environmentally friendly. The inorganic component chosen is silica-derived, which is used in the form of a large three-dimensional network or nanoparticles obtained by a sol-gel process. The soft chemical conditions of this process ensure that the components are compatible during synthesis to produce hybrid materials. The use of a coupling agent which have the ability to modify interactions at the hybrid interfaces is also studied. The different formulations and compositions developed make it possible to obtain hybrid materials covering a wide range of mechanicals properties, from highly elastics materials to viscoplastics materials by modifying the generated microstructures. The entire range of hybrid materials developed is deposited on CRFPs using liquid deposition processes. Quantifying mechanical and thermal properties of the bond coats allows correlating the resistance against thermal spraying with their microstructures. In second step, thermal spray deposition tests are carried out, within the SAFIR technology platform, using Low Pressure Cold Spray (LPCS) and Air Plasma Spray (APS). The results obtained provide an insight into the mechanisms by which metallic and oxide coatings are formed, through a understanding of the microstructures and properties of hybrid bonding layers. Understanding these mechanisms has enabled the functionalization of CRFPs with a multilayer system achieved through the implementation and optimization of various deposition processes.