Academic literature on the topic 'Environnemental Barrier Coating'

Afin d’augmenter la durée de vie des composites SiC/SiC, des revêtements protecteurs, les barrières environnementales (EBC), sont utilisés. Ils ont pour but de limiter la dégradation par oxydation/corrosion de la surface des composites. En service, le composite et son revêtement sont soumis à des conditions thermomécaniques et physico-chimiques très sévères pouvant mener à la dégradation du matériau. L’objectif de ces travaux est de classifier, comprendre et prévoir les mécanismes prépondérants de dégradation d’une EBC. Pour répondre à cette problématique, les environnements sévères rencontrés dans les moteurs d’avion ont été reproduits (hautes températures, pression d’eau et vitesses de gaz) et les dégradations engendrées sur les systèmes CMC/EBC ont été suivies. Ces dégradations sont localisées en surface de l’EBC, avec la récession de cette dernière mais également au niveau de l’interface entre l’EBC et le CMC. Cette dernière zone s’avère être la plus endommagée avec le développement d’une couche de silice fissurée (TGO – thermally grown oxide) et rugueuse. Un test d'adhérence, l’essai de flexion 4 points sur éprouvette entaillée, a été mis en oeuvre sur les composites revêtus vieillis sous atmosphère oxydante, afin de déterminer une éventuelle dégradation de l'adhérence avec le développement de la TGO. Afin de mieux comprendre le rôle de chaque paramètre dans la dégradation de l’adhérence, une modélisation des contraintes thermomécaniques développées dans le système a été mise en place
In order to increase SiC/SiC composites lifetime, protective coatings (EBC for environmental barrier coatingd), are used. They are intended to limit the degradation by oxidation/corrosion of composites surface. In use, the composite and its coating are subjected to severe thermomechanical and physico-chemical conditions that can lead to their degradation. The purpose of this work is to classify, understand and predict the predominant damage mechanisms of EBC systems. To adress this problem, EBC systems have been subjected to conditions close to those encountered in aircraft engines (high temperatures, water pressure and gas velocities). The main damages are located on the surface of the EBC, with the recession of the latter but also at the CMC/EBC interface. This last zone proves to be the most damaged with the development of a cracked and rough silica layer (TGO - thermally grown oxide). An adhesion test, the notched 4-point flexural test, was developed and applied on aged samples in order to determine a possible degradation of adhesion with the development of the TGO. In order to better understand the role of each parameter in the degradation of the adhesion, a modeling of the thermomechanical stresses developed in the system has been developed

Des revêtements appelés barrières environnementales sont en cours de développement afin de protéger les Composites à Matrice Céramique (SiC/SiC) utilisés pour les pièces situées dans les parties chaudes des futures générations de turboréacteurs. Le mécanisme de ruine le plus observé pour ce type de revêtement est une délamination suite à leur oxydation en présence de vapeur d’eau. En service, la vapeur d’eau diffuse à travers le revêtement en silicate de terre rare et forme par réaction avec la sous-couche en silicium une couche de silice, appelée TGO (Thermally Grown Oxide). Au cours du refroidissement, la silice, cristallisée sous forme de cristobalite, subit une transformation de phase de la structure β à α qui s’accompagne d’une contraction volumique de 4 – 5 %. Cette variation volumique provoque l’apparition de microfissures au sein de la couche d’oxyde et mène à une délamination du revêtement après cyclage thermique. L’objectif de cette thèse est d’identifier de nouvelles compositions de sous-couche permettant d’améliorer la durée de vie des barrières environnementales. Plusieurs compositions ont été sélectionnées afin d’étudier leur capacité à empêcher la cristallisation de la silice ou à la stabiliser au sein d’un silicate. Des échantillons non revêtus (sous-couche seule) ou revêtus (système tricouche : disilicate yttrium/sous-couche/disilicate d’yttrium) ont été élaborés par frittage flash (Spark Plasma Sintering). Ces échantillons ont été soumis à des tests d’oxydation de quelques centaines d’heures à la température ciblée (1300°C ou 1400°C) sous une atmosphère présentant une teneur en vapeur d’eau contrôlée (50 kPa H2O/50 kPa air) et sous de faibles vitesses de gaz (≈ 30 – 35 cm/s en zone chaude). Les cinétiques d’oxydation, la structure de la couche d’oxyde, la compatibilité thermochimique et la formation de fissures au sein de la TGO et à l’interface (TGO/disilicate d’yttrium et sous-couche/TGO) ont été comparées au système silicium de référence
Advanced environmental barrier coatings (EBC) are being developed to protect SiC/SiC ceramic matrix composites (CMC) used in hot-section components of next-generation gas turbine engines. One of the most reported failure modes of such protections is spallation due to oxidation by water vapor. During operation, water vapor diffuses through the rare earth silicate top coat and reacts with the silicon bond coat to form a silica layer known as TGO (Thermally Grown Oxide). During cooling, the phase transformation of silica from β-cristobalite to α-cristobalite leads to a 4 – 5 % volume contraction. As a result, microfractures appear in the TGO and delamination of the coating occurs upon cycling. This work aims to identify new bond coat compositions to enhance EBC lifetime. Several compositions were selected to prevent crystallization of silica or to stabilize it by the formation of a silicate. Uncoated (bond coat only) and coated samples (tri-layer system: yttrium disilicate/bond coat/yttrium disilicate) were elaborated by Spark Plasma Sintering. These samples were exposed to a wet atmosphere (50 kPa air and 50 kPa H2O, 1300 or 1400°C, low gas velocity in the hot zone 30 – 35 cm/s) for hundreds of hours. Oxidation rates, structure of the TGO, thermochemical compatibility and crack formation in the TGO and at the interface (TGO/yttrium disilicate and bond coat/TGO) are compared with the silicon bond coat reference system

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 30m 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
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 30m, 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

Les composites à matrices 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 pièces de turbines. Cependant, les CMC qui sont constitués de carbure de silicium sont sensibles aux espèces oxydantes et corrosives telles que l’eau et l’oxygène à haute température. Le CMC sous cet environnement sévère peut être dégradé chimiquement, s’accompagnant d’un affaiblissement de ses propriétés mécaniques. Pour protéger et augmenter la durée de vie du CMC, un revêtement protecteur (EBC) est déposé généralement par projection thermique. Les céramiques sélectionnées sont des silicates de terres rares. Elles doivent faire face à trois phénomènes majeures :(i) la diffusion des espèces ioniques au sein de la structure cristalline (ii) la réaction de l’eau avec le silicate en surface qui forme des espèces hydroxydes volatiles provoquant la récession du matériau et (iii) la dissolution par les sables présents dans l’atmosphère : les CMAS. Tout l’enjeu de ce travail est dans un premier temps de mettre en place une méthodologie fiable pour caractériser de manière précise et complète l’influence de la microstructure sur les propriétés du matériau. Une deuxième partie sur l’optimisation des performances du matériau a été mise en place en jouant sur l’architecture du revêtement et sa composition
Ceramic matrix composites due to their high temperature stability and mechanical properties are materials of choice to replace nickel superalloys in turbine. However, CMC are made of silicon carbide which is sensitive to oxidizing and corrosive species such as water and oxygen at high temperature.CMC under this severe environment is chemically degraded and may see its mechanical properties reduced. It seems necessary to cover this CMC by a protective coating : environmental barriers (EBC).These EBCs made of rare earth silicates have to face three most phenomena: (i) diffusion of ionic species in the crystal structures of EBC (ii) the surface volatilization of the silicate induced by reactions with moisture (iii) dissolution by melted sands: CMAS. The aim of this work is to implement amethodology to characterize the influence of the microstructure on the properties of the material. A second part deal with the optimization of the performance of the materials by modifying the architecture of the coating and its composition

L’introduction des composites à matrice céramique (CMC) dans les turbines haute pression est un des enjeux de la prochaine génération des moteurs d’avion civil. L’environnement thermomécanique et physico-chimique extrême dans lequel évoluent ces pièces nécessite l’ajout d’un revêtement jouant le rôle de barrière thermique et environnementale, en particulier pour éviter les phénomènes de récession de surface du SiC. Dans ce contexte, cette étude a consisté à caractériser et modéliser le comportement thermomécanique du système CMC-revêtement dans un environnement thermique représentatif des conditions d’utilisation afin d’identifier les mécanismes d’endommagement pouvant impacter la durée de vie du système. La première partie du travail propose la mise en place d’un essai avec un laser permettant l’utilisation de différentes instrumentations, à très hautes températures (>1300°C), basées sur des mesures de champs par thermographie infrarouge et corrélation d’images numériques et/ou la détection d’endommagement. La seconde partie du travail présente l’étude du faïençage thermique d’un revêtement grâce aux observations expérimentales et à un modèle par éléments finis du système, alimentée par l’identification du comportement thermomécanique non linéaire du revêtement
The introduction of ceramic matrix composites (CMCs) in high pressure turbines is one of the challenges of the next generation of civil aircraft engines. The extreme thermomechanical and physicochemical environment in which these parts evolve requires the addition of a coating acting as a thermal and environmental barrier, in particular to avoid surface recession phenomena of SiC. In this context, this study consisted in characterizing and modeling the thermomechanical behavior of the CMC-coating system in a thermal environment representative of the conditions of use in order to identify the mechanisms of damage that could impact the life of the system. The first part of the work proposes the implementation of a test with a laser allowing for the use of different diagnostics, at very high temperatures (> 1300°C), based on full-field measurements by infrared thermography and digital image correlation, and / or the detection of damage. The second part of the work presents the study of thermal cracking of a coating using experimental observations and a finite element model of the system, using the calibration of the nonlinear thermomechanical behavior of the coating

Les composites à matrice céramique sont utilisés dans les moteurs aéronautiques en raison de leur stabilité à haute température et de leurs propriétés mécaniques. Cependant, quand ils sont soumis à des environnements sévères (haute température, haute pression, environnement oxydant et humide), ils s'oxydent et se dégradent dû à la volatilisation de la silice protectrice formée en surface par oxydation du CMC. Par conséquent, pour augmenter la durée de vie de ces matériaux, il est nécessaire d'appliquer une protection externe contre la corrosion. Ceci constitue l'objectif de ma thèse. La démarche expérimentale a été la suivante : (i) identification des matériaux de revêtement à étudier ; (ii) validation du choix des matériaux par étude de leur stabilité structurale et de leurs compatibilités chimique et thermomécanique avec le substrat ; (iii) étude de la stabilité des matériaux de revêtement sous atmosphère corrosive et enfin (iv) comportement des revêtements sur composites
The ceramic matrix composites can be used in aeronautic engines due to their high temperature stability and their mechanical properties. However, under a corrosive environment, an oxidation and then a recession of the CMC occured because of the volatilization of the silica scale formed at the surface of the composite. Consequently, in order to increase the lifetime of such materials, a external protection against corrosion is required. This is the aim of my Ph-D thesis. The experimental approach is the following : (i) identification of the coating materials ; (ii) validation of the selected materials by studying their structural stability and their chemical and thermomechanical compatibilities with the substrate ; (iii) determination of the thermal stability of the materials under a corrosive environment and (iv) behaviour of the coatings onto the CMC