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Dec 12, 2023

Centre de recherche Lewis, Cleveland, Ohio

Les revêtements de barrière thermique (TBC) de production actuelle se sont avérés capables de réduire les températures moyennes des composants métalliques de 50 à 80 °C et la température du point chaud jusqu'à 140 °C. Cette réduction substantielle de la température a été utilisée pour prolonger la durée de vie des composants métalliques dans les turbines d'avions. Cependant, pour les applications critiques visant à améliorer les performances du moteur où des températures nettement plus élevées sont impliquées, des TBC à plus grande durabilité sont nécessaires. Il a été démontré qu'une couche de liaison améliorée incorporant des couches métalliques et de cermet augmente la durée de vie à la fatigue thermique d'un revêtement de barrière thermique (TBC) projeté au plasma d'un facteur de deux ou plus. Ces TBC peuvent être appliqués aux composants des turbines à gaz et des moteurs diesel.

Un TBC typique comprend une seule couche de liaison métallique, de 0,005 à 0,008 pouce (environ 0,13 à 0,020 mm) d'épaisseur, recouverte d'une seule couche de finition céramique, de 0,005 à 0,020 pouce (environ 0,13 à 0,50 mm) d'épaisseur. La couche de revêtement de liaison est typiquement MCrAlX, où M signifie Ni, Co ou Fe et X signifie Y, Zr, Hf, Yb ou un autre élément réactif. La couche de finition céramique est typiquement de la zircone partiellement stabilisée avec 6 à 8 % en poids d'yttria. La couche de liaison est généralement traitée par pulvérisation au plasma, tandis que la couche de finition peut être traitée soit par pulvérisation au plasma, soit par dépôt physique en phase vapeur par faisceau d'électrons. Pour les TBC utilisant une couche de finition projetée au plasma, la couche de liaison est préparée avec une surface rugueuse pour améliorer la liaison.

Malgré la nécessité d'une rugosité de la couche de liaison pour améliorer l'adhérence, la rugosité tend également à intensifier les contraintes qui se produisent à l'interface entre la céramique et la couche de liaison. Des travaux récents ont montré que les contraintes élevées sont particulièrement importantes au voisinage des pics de la couche de liaison rugueuse (voir Figure 1). Une enquête détaillée a en outre montré que les contraintes peuvent être minimisées en adaptant la dilatation thermique des pics de la couche de liaison à la couche de finition en céramique.

La figure 2 illustre une conception TBC qui résout ces problèmes grâce à l'utilisation d'une couche de liaison à deux couches. La première couche de la couche de liaison est un MCrAlX typique, comme décrit ci-dessus pour un TBC classique. La seconde couche de la couche de liaison incorpore une fine dispersion d'une seconde phase particulaire dans une matrice MCrAlX. La deuxième phase doit avoir un coefficient de dilatation thermique aussi faible ou de préférence inférieur à la couche de céramique de zircone stabilisée à l'yttria, elle doit être stable jusqu'à la température d'utilisation prévue, chimiquement inerte vis-à-vis de la matrice MCrAlX, et doit être chimiquement compatible avec la calamine d'alumine obtenue par croissance thermique. Les matériaux de deuxième phase candidats comprennent l'alumine, l'oxyde de chrome, le grenat d'yttrium-aluminium, le spinelle de nickel-aluminium, l'yttria, la mullite et d'autres oxydes.

Étant donné que l'objectif est d'obtenir une correspondance d'expansion des pics de la deuxième couche avec la zircone stabilisée à l'yttria, la deuxième phase particulaire doit avoir des dimensions inférieures à celles des pics, généralement inférieures à 5 μm, et doit être bien dispersée dans la matrice MCrAlX. La fraction volumique de la particule doit être suffisamment élevée pour obtenir une correspondance substantielle de l'expansion maximale avec celle de la couche céramique. Pour le cas des ajouts d'alumine à MCrAlX, une fraction volumique d'alumine de 0,71 est nécessaire pour obtenir un décalage de dilatation thermique proche de zéro. En pratique, la dilatation thermique de la deuxième couche doit être mise en balance avec les autres exigences de la couche, telles que la ductilité et la résistance à l'oxydation.

Jusqu'à présent, les revêtements ont été projetés au plasma à l'aide de poudres de départ produites par mécanosynthèse. Le procédé d'alliage mécanique qui a été développé a produit des poudres de départ par pulvérisation au plasma contenant jusqu'à 20 % en volume d'une fine dispersion de particules d'alumine submicroniques. La durée de vie de la couche céramique a été doublée pour les TBC, en utilisant une couche de liaison de seulement 5 % en volume d'ajouts d'alumine. Cette augmentation de la durée de vie technologiquement importante et reproductible pourrait être utilisée pour pousser les TBC à des températures de fonctionnement plus élevées.

Des pourcentages en volume plus élevés d'alumine, jusqu'à 20 % en volume, devaient fournir des durées de vie encore plus longues en raison d'une meilleure adaptation de l'expansion avec la céramique. Alors que certains échantillons présentaient des durées de vie plus longues, ces compositions présentaient également des réponses d'oxydation très variables. Le résultat net de la réponse erratique de l'oxydation a été une réduction de la durée de vie moyenne de ces revêtements. Les procédés alternatifs de pulvérisation thermique, tels que la pulvérisation oxy-combustible à grande vitesse (HVOF), se sont avérés produire des distributions de particules plus homogènes et promettent des gains encore plus élevés dans la durée de vie du TBC. Les revêtements HVOF sont actuellement testés.

Ce travail a été réalisé par William J. Brindley et Robert A. Miller du Lewis Research Center et Beverly JM Aikin de la Case Western Reserve University. Pour plus d'informations, accédez au Support technique (TSP) gratuit en ligne sur www.techbriefs.com em> sous la catégorie Matériaux.

Les demandes concernant les droits d'utilisation commerciale de cette invention doivent être adressées à

Reportez-vous à LEW-16390.

Cet article est paru pour la première fois dans le numéro d'août 1998 du magazine NASA Tech Briefs.

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