Elaboration de nouvelles EBCs par des procédés en voie liquide du type électrophorèse
Institution:
Toulouse 3Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
Ceramic Matrix Composites (CMCs) due to their high thermal stability and mechanical properties are the promising materials to replace nickel superalloys in turbine blades or rings. These parts are subjected to stresses at very high temperatures, up to 1500 °C on the surface, which induce significant damage, such as corrosion of the CMC. To limit this degradation, coatings protecting the substrate against corrosion have to be developed. In the framework of this thesis, the objective is to develop an EBC by electrophoresis allowing to deposit architectures of controlled thickness layers of yttrium disilicate and yttrium monosilicate, limiting the heat treatment steps and with a process able to be transferred on shaped parts. Electrophoresis (EPD) is a method based on the migration under the effect of an electric field of charged species, such as particles dispersed in a liquid, . The mechanisms leading to electrophoretic deposition are complex and a rigorous control of many parameters is necessary. The parameters involved in EPD are both linked to the medium (electrical conductivity, viscosity, nature of migrating species, surface charge and stability) and to the process (applied electric field, deposition duration and cell configuration). The first part of this work was to study the influence of these parameters on the coatings and their microstructures. The zeta potential, the electrophoretic mobility and the electrical conductivity of the suspensions studied appear to be first-order parameters, influencing both the formation of coatings: kinetics and growth mechanisms, but also their microstructures: density and homogeneity. The use of low voltages promotes the formation of more compact coatings, and a compaction effect is also observed over the long deposition times. The other part of the thesis work focused on optimizing the architecture of the complete system by adjusting both the electrical parameters, the sintering conditions, but also the composition of the suspensions, in order to characterize the coatings in working conditions. It has been shown that a stack of 3 layers of ytterbium disilicate with an intermediate consolidation step at 200 ° C between the layers was necessary to reach the target thickness of 30m, after a heat treatment at 1350°C for 5h with a temperature rise ramp of 300 ° C / h and 100° C/h down. This type of system has led to encouraging results in terms of corrosion behavior with only 3% cracking after 500h at 800 ° C under 50kPa of water. Finally, the complete architecture developed, by adding the layer of yttrium monosilicate on the surface, meets the required criteria: the EBC is adherent, dense, homogeneous and covering.
Abstract FR:
Les composites à matrice céramique (CMC) en raison de leur stabilité à haute température et de leurs propriétés mécaniques sont des matériaux de choix pour remplacer les superalliages à base de nickel au niveau des aubes ou des anneaux de turbines. Ces pièces sont soumises à des sollicitations à très haute température, pouvant aller jusqu’à 1500°C en surface, qui induisent des endommagements significatifs tels que la corrosion du CMC. Pour limiter ces dégradations, des revêtements protégeant le substrat contre la corrosion doivent être envisagés. Dans le cadre de cette thèse, l’objectif est de mettre au point une EBC par électrophorèse à partir d’architectures en couches d’épaisseur contrôlée de disilicate d’ytterbium et de monosilicate d’yttrium, tout en limitant les étapes de traitement thermique et dont le procédé soit transposable sur des pièces de forme. L’électrophorèse (EPD) est une technique basée sur la migration, sous l'effet d'un champ électrique, d’espèces chargées, c'est-à-dire de particules dispersées dans un milieu liquide. Les mécanismes conduisant au dépôt électrophorétique sont complexes et un contrôle rigoureux de nombreux paramètres est nécessaire. Les paramètres impliqués dans l’EPD sont à la fois liés au milieu (conductivité électrique, viscosité, nature des espèces migrantes, charge de surface et stabilité) et au procédé (champ électrique appliqué, durée du dépôt et configuration de la cellule). Le premier axe de travail a été d’étudier l’influence de ces paramètres sur les revêtements et leurs microstructures. Le potentiel zêta, la mobilité électrophorétique et la conductivité électrique des suspensions étudiées se révèlent comme des paramètres de premier ordre, influençant à la fois la formation des revêtements : cinétique et mécanismes de croissance, mais également leurs microstructures : densité et homogénéité. L’utilisation de tensions faibles favorise la formation de revêtements plus compacts, et un effet de compaction est également observé au temps long de dépôt. La suite du travail de thèse s’est focalisée sur l’optimisation de l’architecture du système complet en ajustant à la fois les paramètres électriques, les conditions de frittage, mais aussi la composition des suspensions, en vue de caractériser les revêtements en conditions d’usage. Il a été montré qu’un empilement de 3 couches de disilicate d’ytterbium avec une étape de consolidation intermédiaire à 200°C entre les couches était nécessaire pour atteindre les 30m d’épaisseurs visés suivi d’un traitement thermique à 1350°C pendant 5h avec une rampe de montée en température de 300°C/h et de 100°C/h en descente. Ce type de système a conduit à des résultats encourageants en termes de comportement en corrosion avec seulement 3% de fissuration après 500h à basse température sous 50kPa d’eau. Enfin, l’architecture complète développée, en ajoutant la couche de monosilicate d’yttrium en surface, répond aux critères recherchés : l’EBC est adhérente, dense, homogène et couvrante.