Barrière thermique

Les systèmes barrières thermiques sont des revêtements en plusieurs couches déposées sur les pièces chaudes des turbomachines pour les isoler des gaz très hautes températures. C’est la dernière technologie, (cinquième depuis l’invention du turboréacteur) opérationnelle sur les moteurs mais elle est encore étudiée et pas pleinement exploitée.

Sommaire

Introduction

Le rendement thermodynamique d’un réacteur dépend de la température des gaz produits. Contrairement à un moteur à piston où la combustion est intermittente, dans un réacteur les gaz chauds sont produits d’une manière continue, partant de la chambre à combustion, traversent les roues aubées, puis sont canalisés à travers la tuyère vers l’extérieur.

Les aubes des turbines se trouvent alors sévèrement contraintes thermiquement et cycliquement, à cela s’ajoute des contraintes mécaniques produites par les champs de pression d’une part, et les forces centrifuges dues aux vitesses de rotation élevées ; la corrosion par des sulfates à 850 °C et l’oxydation au delà de 1000°C.

Depuis l’apparition du réacteur durant la deuxième guerre mondiale, on a cherché à augmenter la température des gaz en recourant à des alliages de plus en plus résistants (fluage) aux hautes températures. On a introduit les alliages à base de nickel qui exhibent de bonnes caractéristiques de fluage jusqu'à environ 950°C. L’étape suivante a été l’introduction des aubes en alliages à structure à solidification dirigée (1000°C), puis, en un seul cristal (1100°C).

Les revêtements céramiques isolants, ou barrières thermiques (Thermal Barrier Coatings), exploités durant les années 90s, ont permis d’autres progrès, grâce à leurs caractéristiques de résistance aux hautes températures ; des températures d’environ 1200°C ont été atteintes sur les surfaces des aubes. Entre temps durant les années soixante on a introduit les aubes refroidies, de l’intérieur, par un débit d’air prélevé du compresseur. L’ensemble de ces technologies permet le fonctionnement avec des gaz chauffés à plus que 1500°C autour des aubes. Les céramiques sont généralement de mauvais conducteur de l’électricité et de la chaleur ; on les utilise fréquemment comme diélectriques et comme isolants thermiques. Leurs températures de fusion sont très élevées. Ces caractéristiques exigent leurs élaborations par frittage pour les pièces ; Les revêtements en céramique sont déposés par plusieurs techniques.

Les Revêtements en céramiques

Généralement la composition des films isolants est l’alumine Al2O3, la magnésie MgO, ou très souvent la zircone ZrO2. La zircone yttriée possède une très faible conductivité thermique par rapport aux autres oxydes, environ 2 W/m°K, et un coefficient de dilatation élevée, caractéristiques exigées sur les revêtements pour aubes ; les coefficients de dilatation du revêtement et du matériau de base doivent être, idéalement, égaux.

Procédés de dépôts des revêtements isolants : il existe plusieurs techniques de dépôt de couches minces en céramiques. Sur les aubes de turbines, on utilise les procèdes de dépôts par projection plasma (à air), et les dépôts en phase vapeur. La technique de projection plasma utilise le principe qui consiste à fondre une poudre puis à la projeter sur le substrat à l’aide d’un courant gazeux. Elle est appliquée sur les aubes fixes moins chargées ; car comparativement à la technique suivante, le revêtement produit possède une résistance à la microfissure plus faible. La déposition (physique) en phase vapeur consiste à produire une phase gazeuse par évaporation puis son transport vers le substrat sous pression réduite.

Elle produit une morphologie poreuse et colonnaire (colonnes perpendiculaires au substrat) qui produit une conductivité thermique moins faible que celle obtenue par la technique plasma ; mais une meilleur résistance aux contraintes thermomécaniques due à la présence de pores intercolonnes ; d’où son application pour les aubes mobiles très chargées.

Systèmes barrières thermiques

En réalité, sur les aubes de turbines, les revêtements isolants sont constitués de plusieurs matériaux formant « un système barrière thermique ». En effet la diversité des phénomènes d’endommagement rencontrés (érosion, corrosion, oxydation, fatigue thermique, chaleur intense) a imposé le recours à un revêtement de trois couches, chacune assurant une fonction. La couche externe exposée aux gaz chauds a pour fonction principale l’isolation thermique ; elle est faite de la zircone partiellement stabilisée à l’oxyde d'yttrium (ZrO2 + 6-8%masse Y2O3) déposée par évaporation pour ces qualités de résistance aux contraintes thermomécaniques. D’une épaisseur moyenne de 150 microns cette couche céramique poreuse a été choisie pour sa très faible conductivité thermique (~ 1,5 W/m°K) et son coefficient de dilatation élevé. Cette première couche permet des différences de température de l’ordre de 100°C.

Une couche intermédiaire, l’alumine, très fine (environ 7 microns), a pour fonction principale la protection contre l’oxydation du matériau de base de l’aube, le super-alliage. En effet la couche externe est perméable à l’oxygène des gaz chauds.

La couche liaison épaisse de 50 à 100 microns, alliage NiAl(Pt), a pour fonction principale la production et le maintien de la couche intermédiaire. C’est une sorte de réservoir d’aluminium. Au départ l’alumine n’existe pas, elle est initiée par un traitement thermique. Endommagement du système : la principale raison d’endommagement des couches provient de la différence importante des coefficients de dilatation des trois couches et surtout entre l’alumine et la couche liaison; des contraintes de compression apparaissent sur l’alumine Ces contraintes de compression se traduisent, à l’interface alumine-couche liaison, par des contraintes de traction responsable d’un phénomène de décollement de la couche d’alumine dénommé « Rumpling ». C’est l’évolution de ces défauts qui ruinent l’ensemble de la barrière. De plus la microstructure de la couche de liaison évolue par des phénomènes de diffusion avec le super-alliage rendant son analyse difficile.

La technologie TBC est encore étudiée et n’est pas pleinement exploitée. La difficulté se situe au niveau de la physique du comportement thermo-mécanique de la couche liaison, des travaux d’expérimentations sont nécessaires. Les développements futurs passeront par la recherche d’autres céramiques pour la couche externe, car la zircone évolue morphologiquement et est limitée en température par des phénomènes de diffusion propres au frittage. Ils passeront aussi par des systèmes BTC plus élaborés faits de plusieurs couches.

Références

ANALYSE DU COMPORTEMNT MECANIQUE D’ALLIAGES POUR COUCHE DE LIAISON DE BARRIERE THERMIQUE PAR MICRO-INDENTATION INSTRUMENTEE A HAUTE TEMPERATURE, A Villemiane, INPL. (Thèse 2008).












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