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Theses Year : 2022

Local deposition of yttria stabilized zirconia by low-power plasma at atmospheric pressure : aricraft engine applications

Dépôt local de zircone yttriée par plasma atmosphérique basse puissance : applications aux turbines aéronautiques

Sandra Segondy
  • Function : Author
  • PersonId : 1236771
  • IdRef : 268453802

Abstract

The lasting heat protection of aircraft turbines against high temperatures resulting from combustion is a major industrial concern. A thermal barrier coating (TBC) composed of a bond coat and a ceramic coating (Yttria Stabilized Zirconia, YSZ) is deposited onto superalloys to ensure thermal insulation. The TBC is deteriorated by extreme temperatures and various aggressions. Repairing the damaged YSZ coating involves a series of steps, which is time- and money-consuming, even if the damages are localized. Developing a new ceramic coating method that could be compatible with hard-to-reach areas (such as the combustion chamber) is of great interest to the aeronautic industry. This work focused on new process development for YSZ local deposition at atmospheric pressure and low power (< 1 kW). Precursors were a mixture of zirconium and yttrium salts in solution. They were injected into the plasma afterglow to be oxidized and deposited onto metallic substrates (with or without a bond coat). The afterglow characterization highlighted the presence of oxidative species and temperatures in the range of 600 °C (measurements and modeling) which were favorable for the formation of expected oxides. A thermal input high enough for the solvent evaporation and the precursor decomposition appeared to be crucial. Different strategies were tested: adding a post-treatment step and changing precursors and solvent types. Depending on the operating conditions, microstructures were granular and/or columnar with a porosity of 25 vol% and a thickness reaching 300 µm.
La protection durable des pièces internes des turbines aéronautiques contre les fortes températures liées à la combustion est un enjeu industriel majeur. Une barrière thermique, constituée d’une couche d’accroche et d’une céramique en zircone partiellement yttriée (Yttria Stabilized Zirconia - YSZ), est déposée sur un superalliage pour assurer l’isolation thermique. Cette barrière est dégradée par les températures extrêmes et diverses agressions. Le reconditionnement de la couche d'YSZ endommagée entraine une série d’étapes longues et coûteuses, et ce même pour des dégâts localisés. Le développement d’une méthode de dépôt de couche céramique qui serait adaptée au recouvrement de zones à accessibilité réduite (telle que la chambre de combustion) présente donc un intérêt important pour l’industrie aéronautique. Ce travail de recherche a porté sur le développement d’un nouveau procédé de dépôt local de zircone yttriée par plasma atmosphérique basse puissance (< 1 kW). Les précurseurs sont constitués d’un mélange de sels de zirconium et d’yttrium en solution. Ils sont injectés dans la post-décharge plasma afin d’être oxydés et déposés sur des substrats métalliques (avec ou sans couche de liaison). La caractérisation de la post-décharge a mis en évidence la présence d’espèces oxydantes et des températures de l’ordre de 600 °C (par mesures et modélisation) favorables à la formation des oxydes recherchés. Un apport thermique suffisant pour évaporer le solvant et décomposer les précurseurs est apparu comme un point décisif. Différentes stratégies ont été envisagées : ajout d’une étape de post-traitement, modification de la nature des précurseurs et du solvant. En fonction des conditions testées, les morphologies formées ont présenté des structures granulaires et/ou colonnaires avec une porosité de l’ordre de 25 % vol․ et une épaisseur atteignant jusqu’à 300 µm.
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Dates and versions

tel-04027235 , version 1 (13-03-2023)

Identifiers

  • HAL Id : tel-04027235 , version 1

Cite

Sandra Segondy. Dépôt local de zircone yttriée par plasma atmosphérique basse puissance : applications aux turbines aéronautiques. Génie des procédés. Université Paris sciences et lettres, 2022. Français. ⟨NNT : 2022UPSLC012⟩. ⟨tel-04027235⟩
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