Développement d'une barrière thermique et environnementale « super-silico-phobe » par texturation de surface.

Development of a “super-silico-phobic” thermal and environmental barrier by surface texturing

• Auteur / Autrice : Emilie Lam
• Direction : Alan Keromnes, Lucille Despres
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Matériaux céramiques et traitements de surface
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences et Ingénierie
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche sur les Céramiques
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : IRCER AXE 1 PROCEDES CERAMIQUES INNOVANTS

Mots clés

Mots clés libres

Matériaux céramiques

Traitements de surface

Mouillabilité

Texturation laser

Ceramic materials

Surface treatments

Wettability

Laser texturing

Résumé

Dans un contexte de changement climatique, l'enjeu de l'industrie et de la recherche aérospatiale est de proposer et développer de nouveaux systèmes de turbopropulseur plus efficients et moins émissifs en gaz à effet de serre sur tout le cycle de vie. Un de ces moyens est d'augmenter la température de fonctionnement de la chambre de combustion et donc le rendement énergétique. Cette température conditionne alors le choix des matériaux constituant les parties chaudes soumises aux hautes pressions du turbopropulseur. Cette problématique fait l'objet d'un développement continu depuis plusieurs décennies sur le couple superalliage, matériau métallique massif constitutif des pièces turbo-propulsives, et barrière thermique, revêtement céramique venant recouvrir ces pièces afin de les isoler thermiquement et d'augmenter leur durée de vie, entre autres. Néanmoins, l'augmentation drastique de cette température met au jour de nouveaux modes de dégradation des barrières thermiques sur les aubes de turbine dites haute-pression. Notamment, l'ingestion de particules de sable ou de cendre volcanique, qui une fois fondues sont dénommées « CMAS » (pour « aluminosilicate de calcium et magnésium », en anglais), entraine des attaques corrosives des barrières thermiques. Ces attaques peuvent se coupler à la corrosion à chaud liée à la vapeur d'eau et aux autres gaz de combustion, ainsi qu'à des attaques érosives. Afin de contrer la corrosion par les CMAS, il est possible de développer des matériaux « anti-CMAS » qui forment par réaction chimique une interface étanche à l'infiltration plus profonde des sables fondus, ou bien de chercher à fonctionnaliser la surface des barrières thermiques pour les rendre non-mouillantes aux CMAS. L'objectif principal de cette thèse est de proposer une fonctionnalisation des barrières thermiques par texturation de surface menant à une propriété « super-silico-phobe » de cette dernière, tout en maintenant des propriétés thermomécaniques compatibles avec l'environnement sévère des aubes de turbine haute-pression.

In the context of climate change, the aerospace industry's challenge is to propose and develop new turboprop systems that are more efficient and emit fewer greenhouse gases throughout their entire life cycle. One approach is to increase the operating temperature of the combustion chamber, thereby enhancing energy efficiency. This increase in temperature necessitates the careful selection of materials for the hot sections subjected to high pressures in turboprop engines. This challenge has driven continuous development over several decades, particularly in the use of superalloy pairs—solid metal materials used in turbopropulsion parts—and thermal barriers, ceramic coatings that insulate these parts to extend their service life. However, the significant rise in operating temperatures has led to new degradation modes for thermal barriers on high-pressure turbine blades. Specifically, the ingestion of sand or volcanic ash particles, which melt and become known as ''CMAS'' (calcium magnesium aluminosilicate), results in corrosive attacks on these barriers. These attacks can be compounded by hot corrosion from water vapor and other combustion gases, as well as erosive wear. To counteract CMAS corrosion, it is possible to develop ''anti-CMAS'' materials that create an impermeable interface to prevent the deeper infiltration of molten sand, or to functionalize the surface of thermal barriers to make them non-wetting to CMAS. The primary objective of this thesis is to propose a surface texturing method for thermal barriers that results in a ''super-silico-phobic'' property while maintaining thermomechanical properties compatible with the harsh environment of high-pressure turbine blades.