Présentation

Les moteurs à réaction doivent fonctionner de façon fiable dans certaines des conditions les plus exigeantes de l'ingénierie moderne. Les lames de turbine, les gaines de chambre de combustion et les buses d'échappement sont soumises à des températures de gaz supérieures à 1 500 °C, à des débits de particules à haute vitesse et à des environnements agressifs oxydants ou corrosifs. Sans protection, les superalliages à base de nickel et les alliages de titane utilisés pour ces composants se dégradent en minutes.

Comprendre l'environnement de fonctionnement des moteurs à réaction

Pour comprendre pourquoi les revêtements sont indispensables, il faut d'abord comprendre la gravité de l'environnement en service. Dans la section turbine à haute pression (HPT), les températures des gaz peuvent atteindre 1 600 °C, bien au-dessus du point de fusion de la plupart des métaux structurels.

Les produits de combustion comprennent l'oxygène, la vapeur d'eau, le soufre et les composés du vanadium. À haute température, ces espèces réagissent avec le substrat pour former des oxydes, des sulfures ou des chlorures fragiles, phénomène connu sous le nom de corrosion chaude. Le sel ingéré dans les milieux marins accélère l'attaque et la présence d'aluminium-silicates de calcium-magnésium (CMAS) provenant du sable ou de cendres volcaniques peut infiltrer et dégrader les revêtements céramiques.

Principaux défis du développement du revêtement à haute température

Stabilité thermique et résistance à la fusion

Le revêtement doit rester solide et adhérer au substrat à des températures de fonctionnement supérieures à 1 200 °C pour les moteurs avancés. La plupart des revêtements métalliques adoucissent ou oxydent rapidement au-dessus de 1 100 °C. Les revêtements céramiques offrent des points de fusion plus élevés – la zircone stabilisée par yttria (YSZ) fond autour de 2 700 °C – mais doivent être appliqués comme une couche mince qui ne s'éparpille pas en raison d'un décalage de dilatation thermique.

Résistance à l'oxydation et à la corrosion chaude

L'oxygène se diffuse à travers des revêtements même denses au fil du temps. En atteignant le substrat ou la couche de liaison, l'oxygène forme une couche d'oxyde de culture thermique (TGO). Si le TGO devient trop épais ou développe des contraintes résiduelles, il se décollera, provoquant une défaillance du revêtement. La corrosion chaude des sels de soufre, de vanadium et d'alcali accélère encore la croissance du TGO et peut produire des composés à faible point de fusion qui pénètrent les limites des grains.

Durabilité mécanique sous vélo thermique

Pendant un cycle de vol typique, la température du moteur passe de la puissance ambiante à la puissance totale en quelques secondes. Les contraintes thermiques qui en résultent peuvent fissurer le revêtement si la résistance ou la conformité est insuffisante. Les contraintes cycliques entraînent également une défaillance de la fatigue à l'interface revêtement-substrat.

Attaque du CMAS

Le CMAS fondu s'infiltre dans la structure poreuse des revêtements YSZ conventionnels, réagit avec le stabilisateur (yttria) et induit une transformation de phase suivie d'une éparpillement. Ce phénomène est devenu une préoccupation majeure pour les aéronefs opérant dans les régions désertiques ou près des volcans actifs. Le développement des revêtements résistants au CMAS est maintenant une priorité de recherche majeure.

Mismatch d'expansion thermique

Aucun matériau de revêtement n'a exactement le même coefficient de dilatation thermique (CTE) que le substrat superallié. Pendant le chauffage et le refroidissement, la déformation différentielle génère des contraintes à l'interface. Si la contrainte dépasse la résistance de la liaison du revêtement, la délamination se produit.

Principaux types de revêtements à haute température

Revêtements de barrières thermiques (CCT)

Les TBC sont sans doute la plus importante famille de revêtements à haute température dans les moteurs à réaction modernes. Ils sont constitués d'un revêtement céramique, typiquement des zircones stabilisées par yttria (YSZ) ou d'une variante à dopage de terres rares, appliqué sur un revêtement métallique. La couche céramique a une faible conductivité thermique (=1,5 W/m·K pour YSZ) réduit la température observée par le superalliage sous-jacent de 100 à 200 °C, ce qui permet une température d'entrée de turbine plus élevée et une efficacité moteur améliorée.

La teneur en Yttria de YSZ est généralement de 6 à 8 % en poids, ce qui stabilise la phase tétragonale et procure une excellente durée de vie en cycle thermique. Cependant, les YSZ classiques commencent à se dégrader au-dessus de 1 200 °C en raison du frittage et de l'instabilité de la phase.Les matériaux TBC de prochaine génération comprennent le zirconate de gadolinium (Gd2Zr[2O7), le céréalage du lanthane et les zirconates à diode ytterbium, qui offrent une conductivité thermique plus faible et une meilleure résistance au CMA au détriment de la dureté.

Revêtements de liaison résistants à l'oxydation

Les couches de liaison servent à la fois de couche adhésive pour le revêtement céramique et de source d'aluminium pour former la couche protectrice TGO. Les deux classes principales sont les alliages MCrAlY (M = Ni, Co, ou une combinaison) et les aluminescents de diffusion. Les revêtements MCrAlY sont généralement appliqués par pulvérisation de plasma à basse pression (LPPS) ou par pulvérisation de carburant à oxygène à haute vitesse (HVOF). Ils contiennent 12–15 % d'Al, 18–22 % de Cr et de petits ajouts de Y, Si ou Hf. Yttrium améliore l'adhérence à l'échelle d'oxyde en empêchant la ségrégation du soufre à l'interface TGO. Le chrome offre une résistance à la corrosion chaude, tandis que l'aluminium forme l'échelle d'alumine.

L'aluminisation enrichit la surface du superalliage en aluminium, créant une couche β‐NiAl. Les alumines modifiés par le platine (Pt‐Al) améliorent encore la résistance à l'oxydation en stabilisant la phase β et en supprimant la formation de vide. Les revêtements Pt‐Al sont utilisés sur les pales de turbine de premier étage où l'exposition est la plus grave.

Revêtements en superposition McrAlY

Les revêtements de recouvrement sont appliqués en couches discrètes avec une composition contrôlée, indépendamment de la chimie du substrat. Les revêtements de recouvrement MCrAlY sont largement utilisés pour les chambres de combustion et les vanes parce qu'ils peuvent être adaptés pour l'oxydation ou la résistance à la corrosion en ajustant le rapport Ni/Co. Les compositions de MCrAlY riches en cobalt offrent une meilleure résistance à la corrosion chaude, tandis que les compositions riches en nickel excellent dans la résistance à l'oxydation.

Revêtements pour la diffusion des aluminures

Les revêtements en aluminium sont formés en diffusant l'aluminium dans le substrat à des températures supérieures à 900°C. La couche β‐NiAl peut être de 50 à 100 μm d'épaisseur. Les alumineurs simples sont adéquats pour les stades à basse température (moins de 1 000°C), mais pour les services à température élevée, les variantes modifiées en platine sont préférées. Les revêtements en aluminium sont appliqués par cémentage en pack, aluminerie en phase vapeur ou par lisier. Ils sont généralement utilisés sur les vanes, les limons et les lames de la section haute pression.

Procédés de fabrication avancés pour l'application de revêtement

Les propriétés d'un revêtement dépendent autant de sa chimie que de la façon dont il est appliqué. Plusieurs méthodes de dépôt sont utilisées dans la fabrication aérospatiale, chacune avec des avantages distincts.

Dépôt de vapeur physique par faisceau d'électrons (EB‐PVD)

Le procédé EB‐PVD est la méthode privilégiée pour appliquer des TBC colonnelars sur les pales de turbine. Le procédé utilise un faisceau d'électrons à haute énergie pour vaporiser un lingot de céramique dans une chambre à vide. La vapeur se condense sur le substrat comme revêtement avec une structure de grain colonnelar. Les écarts entre les colonnes fournissent une conformité de déformation, ce qui donne aux TBC EB‐PVD une durée de vie thermique supérieure aux revêtements plasma. Le procédé permet également un contrôle précis de l'épaisseur et de la composition, et la structure colonnelar peut être conçue pour adapter la conductivité thermique.

Pulvérisation du plasma atmosphérique (APS)

Une torche de plasma fait fondre des particules de céramique ou de poudre métallique et les accélère vers le substrat. Les particules fondues s'aplatissent et se solidifient comme une structure lamellaire. Les revêtements APS sont plus poreux que les revêtements EB‐PVD, ce qui réduit la conductivité thermique mais réduit également la résistance à l'érosion et la tolérance aux déformations.

Pulvérisation à haute vitesse de carburant à oxygène (HVOF)

HVOF est utilisé pour appliquer des revêtements métalliques denses et bien liés tels que le MCrAlY et les alliages résistants à l'usure. Le combustible de procédé (p. ex. propane ou kérosène) avec de l'oxygène à haute pression, accélérant les particules vers des vitesses supersoniques ( -600–800 m/s). L'énergie cinétique élevée produit des revêtements avec une faible porosité, une excellente adhérence et des contraintes résiduelles compressives qui améliorent la durée de vie de la fatigue.

Dépôt de vapeur chimique (CVD) et cémentation d'emballage

Le C.V.D. est utilisé pour produire des revêtements en aluminium de diffusion et en aluminium-plaqué. En cémentage en boîte, le composant est incorporé dans un mélange de poudre contenant de l'aluminium, un activateur d'halogénure et un remplissage inerte. Lorsqu'il est chauffé, le activateur forme des halogénures volatils d'aluminium qui se décomposent à la surface du composant, libérant l'aluminium pour diffusion.

Innovations émergentes et orientations futures

Composites céramiques avancés pour TBC

Pour surmonter les limites de température de YSZ, les chercheurs explorent des pyrochlores (Gd2Zr[2[O7, La2Zr[2O[7), perovskites (SrZrO]3]) et zirconates à terre rare. Ces matériaux ont des conductivités thermiques aussi faibles que 0,5–1,0 W/m·K et ne s'entremêlent pas aussi rapidement que YSZ au-dessus de 1 200 °C. Certains présentent également une réactivité réduite du CMAS parce qu'ils forment des couches de réaction denses qui bloquent davantage l'infiltration.

Revêtements nanostructurés et colonnes

Les revêtements nanostructurés, créés en contrôlant la taille des grains de moins de 100 nm, offrent des propriétés mécaniques nettement améliorées. Les grains plus fins augmentent la dureté et la ténacité tout en réduisant la conductivité thermique. La pulvérisation de plasma suspension peut déposer des revêtements YSZ nanostructurés avec des structures colonneuses finement segmentées qui ont une meilleure tolérance aux tensions que les revêtements APS conventionnels.

Revêtements fonctionnels classés

Un revêtement fonctionnel (FGC) passe progressivement d'une couche de liaison métallique au substrat à un revêtement céramique à la surface. En éliminant les interfaces pointues, les FGC réduisent les contraintes d'inadéquation de la dilatation thermique et améliorent l'adhérence. Le classement peut être obtenu en modifiant la composition de la matière première lors du dépôt ou en utilisant plusieurs poudres dans un système de pulvérisation de plasma.

Alliages à forte entropie et manteaux de liaison à terre rare

Des études précoces indiquent que les AES peuvent former des échelles d'alumine très stables avec des taux de croissance faibles, même à des températures très élevées. Les ajouts de terres rares (Y, Hf, La) sont également optimisés pour améliorer l'adhérence à l'échelle et réduire la ségrégation au soufre. L'objectif est de développer des couches de liaison pouvant fonctionner au-dessus de 1 100 °C pendant des milliers d'heures sans défaillance.

Revêtements auto-guéris et intelligents

Inspirés par les systèmes biologiques, les revêtements autoguérisants contiennent des microcapsules ou un réseau extra-réseau d'agents de guérison qui libèrent des fissures. Pour les applications à haute température, les agents de guérison comprennent des alliages métalliques ou des précurseurs céramiques qui réagissent au remplissage des fissures et rétablissent les propriétés des barrières.

Essais et qualification des revêtements à haute température

Le nouveau revêtement du laboratoire à la production nécessite des essais rigoureux.

  • Essais de vélo thermique[ — Les échantillons sont chauffés dans un four (généralement de 1 100 à 1 200 °C) et rapidement refroidis à la température ambiante, répétés pendant des centaines ou des milliers de cycles. Le nombre de cycles d'éparpillement est une mesure clé.
  • Essais d'oxydation et de corrosion à chaud — Les coupons sont exposés à l'air fluide ou aux sels corrosifs à la température pendant des centaines d'heures, avec des mesures périodiques de changement de poids et une analyse transversale de l'épaisseur du TGO.
  • Clests de résistance CMAS[ — les échantillons enduits sont enduits de poudre CMAS synthétique et exposés à une température élevée pour évaluer la profondeur d'infiltration et la stabilité de la phase.
  • Erosion et essais d'impact[ — des jets de particules à haute vitesse ou des éléments de frappe à masse goutte simulent des dommages à l'objet étranger et l'érosion en service.
  • Analyse des éléments finis (FEA)[ — modèles de calcul simulent les distributions de contraintes et prédisent la durée de vie du revêtement dans les conditions de fonctionnement du moteur.

Ce n'est qu'après avoir passé ces évaluations — souvent des années — qu'un revêtement est qualifié pour la production sur les moteurs de vol.

Conclusion

Les revêtements à haute température sont un facteur essentiel de la performance moderne du moteur à réaction, permettant aux turbines d'augmenter leurs températures d'entrée tout en protégeant les alliages structurels contre l'oxydation, la corrosion et les chocs thermiques. Les revêtements doivent être stables à des températures extrêmes, résistants aux chimies agressives, robustes mécaniquement sous charge cyclique et compatibles avec les géométries complexes du substrat.Les solutions actuelles – revêtements de barrière thermique basés sur les couches de liaison YSZ, MCrAlY et les alumines de diffusion – ont bien servi, mais la poussée vers une efficacité accrue et une longévité plus longue exige une innovation continue.

Pour plus de détails, consultez NASA]s aperçu des revêtements de barrière thermique, ScienceDirect]s ressources sur les matériaux TBC[, et des recherches récentes sur des revêtements MCrAlY avancés. Ces sources fournissent des détails techniques plus détaillés sur les sujets discutés.