Les revêtements de barrière thermique placent une "armure-isolante thermique" sur les composants métalliques.
Dans le domaine des moteurs d’avion et des turbines à gaz, il existe une quête éternelle : des températures d’entrée des turbines plus élevées. Pour cette raison, les scientifiques des matériaux explorent constamment des moyens d'améliorer la-résistance aux températures élevées des turbines, et l'une des méthodes les plus efficaces consiste à enfiler des « vêtements de protection »-enduisant les composants de la turbine avec des revêtements ayant différentes fonctions, obtenant ainsi de meilleures performances de service, une plus grande fiabilité et une durée de vie plus longue.
Revêtements de barrière thermique dans un moteur d'avion (GP7200) et la-morphologie en coupe transversale d'un système de revêtement de barrière thermique typique
À l’heure actuelle, les revêtements à barrière thermique sont devenus une technologie clé permettant de dépasser les limites de service des matériaux métalliques.
Les revêtements à barrière thermique (TBC) sont un type de revêtement isolant qui combine performances structurelles et caractéristiques fonctionnelles. Ils ont une structure multicouche semblable à un « sandwich », composée d'une couche d'isolation thermique en céramique, d'une couche de liaison métallique et d'un substrat en superalliage. Parmi celles-ci, la couche supérieure en céramique est la couche fonctionnelle principale du revêtement barrière thermique, supportant directement le choc thermique, l'érosion et la corrosion chimique du gaz à haute température. Le choix des matériaux et la conception structurelle de cette couche déterminent directement l'effet d'isolation thermique et la durée de vie du revêtement.
Structure de revêtement de barrière thermique
Les matériaux à base de zirconium-sont le matériau préféré pour la couche céramique des revêtements de barrière thermique-à haute température.
Étant donné que les matériaux à base de zirconium-ont d'excellentes performances d'isolation thermique, une résistance à l'oxydation à haute-température, une résistance à la corrosion à haute-température et une résistance relativement élevée, ils sont devenus le matériau préféré pour la couche céramique des revêtements de barrière thermique-à haute température.
La première étape du développement de revêtements de barrière thermique à base de zirconium-a été l'utilisation directe d'oxyde de zirconium (ZrO2) comme matériau de couche céramique. La transformation de phase rapide du ZrO2 lors du chauffage limite sa température de service, ce qui entraîne une durée de vie relativement courte du revêtement barrière thermique. La deuxième étape consistait à utiliser 6 % en poids ~ 8 % en poids de couches de céramique de ZrO2 (YSZ) partiellement stabilisées par Y2O3. Le dopage avec l'oxyde de terre rare Y2O3 a augmenté la température de transformation de phase de ZrO2, amélioré la stabilité de phase à haute température du système céramique, et YSZ reste le matériau céramique de revêtement de barrière thermique le plus largement utilisé dans le monde.
Cependant, à mesure que les températures de service augmentent progressivement, le système YSZ a progressivement exposé ses limites en termes de stabilité de phase, de résistance au frittage et de performances en fatigue par cyclage thermique. En particulier dans les environnements à haute température supérieure à 1 200 degrés, YSZ est sujet à une transformation de phase, entraînant une fragilisation structurelle et une défaillance du revêtement. Pour résoudre ces problèmes, les chercheurs ont commencé à explorer de nouveaux systèmes de matériaux céramiques.
Poudres à base de-zirconium : le premier obstacle pour l'"armure d'isolation thermique-des revêtements à barrière thermique.
Dans les applications de revêtement de barrière thermique, les revêtements préparés à partir de « poudres d'oxyde de zirconium nano et de poudres d'oxyde de zirconium sphériques creuses » présentent des performances plus excellentes que les revêtements microstructurés traditionnels.
En raison de leur « microstructure unique », les revêtements de barrière thermique nanostructurés ont généralement une résistance au frittage plus élevée et une meilleure tolérance à la déformation, améliorant ainsi considérablement la durée de vie du revêtement. Les revêtements de barrière thermique à structure sphérique creuse, en raison de leurs « caractéristiques poreuses », peuvent réduire efficacement la conductivité thermique du revêtement et fournir une meilleure isolation thermique, tout en ayant également une meilleure stabilité et d'autres caractéristiques. Les caractéristiques de la poudre d'oxyde de zirconium initiale ont une influence décisive sur les performances du revêtement. Par conséquent, l’optimisation des processus de fabrication de poudre-existants ou l’exploration de procédés plus performants, ainsi que le développement de nouveaux types de poudre offrant de meilleures performances, constituent une voie clé pour améliorer les performances des revêtements à barrière thermique et répondre aux exigences des domaines avancés et sophistiqués.
Les méthodes de préparation des poudres utilisées dans les revêtements de barrière thermique à haute température à base de-zirconium comprennent le dépôt en phase vapeur, la méthode aux sels fondus, la méthode sol-gel, la méthode de précipitation homogène, la méthode hydrothermale, la méthode du gabarit, etc. Parmi elles, la « méthode hydrothermale » particulièrement remarquable, en tant que méthode de préparation chimique avec un grand potentiel de développement, présente des avantages exceptionnels dans la préparation de poudres d'oxyde de nanozirconium pures/dopées. Le procédé de gabarit permet de contrôler avec précision le diamètre et l'épaisseur de paroi de sphères creuses en sélectionnant des agents modèles de différentes tailles, et constitue un moyen efficace pour obtenir une préparation contrôlable de structures sphériques creuses. La pyrolyse par pulvérisation est plus adaptée à la production à grande échelle-, formant des structures sphériques creuses en une seule étape grâce aux processus d'atomisation, de séchage et de pyrolyse d'un liquide contrôlé par un précurseur-.
Comparaison des principales technologies de préparation des matériaux en poudre à base de-zirconium
Introduction de terres rares pour développer de nouvelles couches céramiques de barrière thermique à base de zirconium-.
D'une part, l'amélioration des matériaux de revêtement de barrière thermique existants tout en les dopant simultanément avec plusieurs oxydes de terres rares -oxyde d'ytterbium, oxyde de scandium, oxyde de gadolinium, oxyde de cérium- peut produire des effets complètement différents.
D'autre part, le développement de nouvelles poudres composites à base de zirconium- (telles que des systèmes composites d'oxyde de zirconium et de sels de terres rares) est également devenu un axe de recherche important.
Par rapport au YSZ, les matériaux à base de zirconate de terre rare (RE2Zr2O7) présentent une conductivité thermique plus faible, une stabilité de phase plus élevée et une meilleure résistance au frittage, ce qui en fait des candidats essentiels pour la prochaine génération de matériaux céramiques TBC. Des études montrent que les excellentes propriétés des zirconates de terres rares peuvent améliorer considérablement les performances en matière de choc thermique et la durée de vie des revêtements en termes de cycles thermiques. Par exemple, dans la structure de revêtement à double -couche de La2Zr2O7 et 8YSZ, le matériau externe La2Zr2O7 peut réduire considérablement la conductivité thermique et augmenter le nombre de chocs thermiques et la durée de vie de l'oxydation thermique, démontrant l'avantage synergique d'une "faible conductivité thermique-haute stabilité".
De plus, ces dernières années, les tantalates de terres rares (RE2Ta2O7) et les niobates de terres rares (RE2Nb2O7), en tant que matériaux dotés d'une conductivité thermique ultra-et d'une excellente stabilité thermique, sont devenus de nouveaux points chauds de recherche. En raison de leur faible ténacité, leur application comme matériau de revêtement est limitée. Les recherches actuelles portent principalement sur la complémentarité fonctionnelle des matériaux à travers des structures composites multicouches ou des structures à gradient.