Progrès de la recherche et tendance de développement des turbines à gaz lourdes et de leurs revêtements thermobarrières (2)

Revêtement de barrière thermique

Contexte de recherche des revêtements de barrière thermique

Depuis le développement réussi du premier turbomoteur en 1920, le turbomoteur a toujours joué un rôle pivotant dans le domaine de la production d'énergie et de la propulsion. De plus, avec l'évolution des technologies industrielles, le niveau technique des turbomoteurs industriels s'améliore constamment, et la question de savoir comment améliorer l'efficacité des turbomoteurs industriels devient de plus en plus urgente. La pale de turbine est l'un des composants importants du système de combustion des turbomoteurs industriels. L'augmentation de la température d'admission de la turbine peut améliorer efficacement l'efficacité des turbomoteurs industriels. Par conséquent, les chercheurs peuvent travailler à augmenter la température d'admission de la turbine. Afin de répondre à la demande croissante en termes de température de fonctionnement des futurs turbomoteurs performants, des revêtements de barrière thermique sont généralement pulvérisés sur la surface des composants chauds.

En 1953, le concept de revêtement thermique d'isolation a été proposé pour la première fois par l'Institut de Recherche NASA-Lewis aux États-Unis [13], c'est-à-dire que le revêtement céramique est pulvérisé sur la surface des pièces travaillant dans un environnement à haute température grâce à la technologie de projection thermique, afin de fournir une isolation thermique et une protection, de réduire la température de la surface de la pale, de diminuer la consommation de carburant du moteur et d'allonger la durée de vie de la pale. Le revêtement thermique d'isolation est largement utilisé dans les composants chauds des turbines à gaz industrielles et des moteurs aérospatiaux (pales de turbine et chambres de combustion, etc.) en raison de ses excellentes caractéristiques telles qu'un coût de préparation faible et une bonne protection thermique, et est reconnu internationalement comme une technologie de pointe pour la fabrication de turbines à gaz lourdes.

Structure du système de revêtement thermique d'isolation

• Avec les progrès et le développement de la science et de la technologie, la température d'admission des turbines à gaz devient de plus en plus élevée. Afin d'obtenir un meilleur effet d'isolation thermique du revêtement barrière thermique, la plupart des études dans le monde se concentrent sur la conception de la structure du revêtement barrière thermique, ce qui montre suffisamment l'importance de la structure de ce revêtement [14]. Selon la structure différente du revêtement, celui-ci peut être divisé en structure bicouche, multicouche et à gradient [15].
• Parmi eux, le revêtement à barrière thermique à double couche, composé d'une couche céramique et d'une couche de liaison, en tant que revêtement à barrière thermique le plus simple et le plus abouti parmi toutes les structures de revêtement, a été largement utilisé dans la technologie des revêtements à barrière thermique. Parmi eux, le revêtement à barrière thermique à structure double couche le plus couramment utilisé prend du zirconium oxydé stabilisé par 6 % ~ 8 % en poids de yttrium (6-8YSZ) comme matériau pour la couche céramique externe, et une alliage MCrAlY (M=Ni, Co, Ni+Co, etc.) comme matériau de la couche métallique de liaison [16]. Cependant, en raison du mauvais ajustement entre le coefficient de dilatation thermique de la couche céramique et de la couche métallique de liaison, il est facile que des contraintes apparaissent dans le revêtement, entraînant un détachement précoce du revêtement.
• Afin d'améliorer les performances du revêtement barrière thermique, les chercheurs ont préparé un revêtement barrière thermique à structure multicouche présentant une structure relativement complexe (revêtement composite), c'est-à-dire que plusieurs couches d'isolation et de barrière ont été ajoutées sur la base du revêtement barrière thermique à double structure, généralement composé de cinq couches. Parmi elles, les couches de blocage les plus étudiées incluent principalement Al2O3, NiAl, etc. [17]. FENG et al. [18] ont utilisé l'APS pour préparer un revêtement barrière thermique en YSZ et un revêtement barrière thermique LZ/YSZ (revêtement barrière thermique en céramique double couche La2Zr2O7 / ZrO2-Y2O3) et ont remelt le surface du revêtement en utilisant une technologie de remelting au laser, puis ont effectué des tests d'oxydation à haute température à 1 100℃. Les résultats montrent que, par rapport au revêtement barrière thermique YSZ, le revêtement barrière thermique céramique double couche LZ/YSZ présente une meilleure résistance à l'oxydation. Bien que les performances du revêtement barrière thermique multicouche soient meilleures que celles du revêtement barrière thermique double couche, sa structure et son processus de fabrication sont plus complexes, et sa résistance aux chocs thermiques est médiocre, ce qui limite son application pratique. Par conséquent, le revêtement barrière thermique à structure gradient voit le jour.
• La couche thermique à structure en gradient est caractérisée par un changement continu du gradient de composition et de structure le long de la direction de l'épaisseur de la couche, ce qui entraîne une interface intercalaire indistincte. Comparée aux structures bicouches et multicouches, la couche thermique à structure en gradient présente non seulement une excellente résistance aux chocs thermiques, mais aussi un changement continu du gradient des performances, ce qui lui confère des caractéristiques d'atténuation des contraintes thermiques et permet son application dans un environnement à haute température sévère. Les principales technologies de pulvérisation thermique des revêtements thermiques à gradients fonctionnels ont été passées en revue par M. Bien qu'il existe diverses méthodes de préparation, la couche thermique à structure en gradient est peu pratique en raison de sa complexité de préparation, de la difficulté à contrôler les composants structuraux et de son coût élevé.
• En résumé, l'enrobage thermique à double couche est largement utilisé et le procédé est bien maîtrisé ; il reste la forme structurelle privilégiée pour les enrobage thermiques. La couche céramique et la couche d'adhésion [20] sont déposées sur la matrice alliée par une technologie de projection thermique. Dans des conditions d'oxydation à haute température, une fine couche d'oxyde thermiquement formé se développe à la surface de la couche d'adhésion après oxydation, comme le montre la Figure 1. Parmi ces éléments, la matrice alliée, en tant que composant protégé par l'enrobage thermique, peut assurer la charge mécanique externe, et son matériau est principalement une superalliage au nickel résistant à haute température et à l'oxydation. Le rôle de la couche d'adhésion est d'améliorer la force de liaison entre la couche céramique et la matrice alliée, avec une épaisseur généralement de 50 à 150 µm, et le matériau est généralement choisi MCrAlY (M=Ni/Co/Ni+Co), qui présente une faible différence dans le coefficient de dilatation thermique de la matrice alliée. L'oxyde thermiquement formé (TGO) est principalement un film mince d'α-Al2O3 formé entre la couche céramique et la couche d'adhésion dans un environnement d'oxydation à haute température, avec une épaisseur de 1 à 10 µm, ce qui a une grande influence sur l'enrobage. La couche céramique a les fonctions d'isolation thermique, de résistance à la corrosion et aux chocs [21], avec une épaisseur habituellement de 100 à 400 µm, et le matériau est principalement constitué de 6-8YSZ avec une faible conductivité thermique et un coefficient de dilatation thermique relativement élevé [22].

Matériaux du revêtement de barrière thermique

La température d'entrée de la pale de turbine est étroitement liée à son efficacité de travail. Seul un accroissement de la température d'entrée de la pale de turbine peut améliorer l'efficacité de fonctionnement. Cependant, avec le développement des sciences, de la technologie et de l'industrie, la température de fonctionnement des pièces chaudes des turbines à gaz lourdes continue d'augmenter, tandis que la température limite de la pale de turbine en alliage nickelé est de 1150℃, au-delà de laquelle elle ne peut plus fonctionner. Par conséquent, il est particulièrement urgent de rechercher et de développer des matériaux de revêtement thermique à propriétés exceptionnelles. Parmi eux, étant donné que les conditions d'utilisation du revêtement thermique sont très défavorables, les critères de sélection des matériaux de revêtement thermique sont encore plus stricts dans la pratique. Les matériaux de la couche céramique doivent généralement avoir une faible conductivité thermique et un point de fusion élevé, ne pas subir facilement de transformation de phase entre la température ambiante et la température de service, et nécessitent également un coefficient de dilatation thermique élevé, une excellente résistance aux chocs thermiques, à la sinterisation et à la corrosion [24]. Le matériau de la couche d'adhésion doit posséder une résistance à la corrosion, une résistance à l'oxydation, une bonne force d'adhésion et d'autres propriétés [25-26].

Matériau de la couche céramique

Les conditions de service sévères du revêtement thermique limitent le choix de ses matériaux. Actuellement, les matériaux de revêtement thermique adaptés à une application pratique sont très limités, se concentrant principalement sur les matériaux YSZ et les matériaux YSZ dopés avec des oxydes d'éléments rares.

(1) zircone stabilisée par oxyde d'yttrium

Actuellement, parmi les matériaux céramiques, le ZrO2 se distingue par son haut point de fusion, sa faible conductivité thermique, son haut coefficient de dilatation thermique et sa bonne résistance à la rupture. Cependant, le ZrO2 pur présente trois formes cristallines : la phase monoclinique (m), la phase cubique (c) et la phase tétragonale (t), et le ZrO2 pur est sujet à des transformations de phase, entraînant un changement de volume, ce qui a des effets néfastes sur la durée de vie du revêtement. Par conséquent, le ZrO2 est souvent dopé avec des stabilisateurs tels que Y2O3, CaO, MgO et Sc2O3 pour améliorer sa stabilité de phase. Parmi eux, le 8YSZ présente les meilleures performances : il possède une dureté suffisante (~ 14 GPa), une faible densité (~ 6,4 Mg·m-3), une faible conductivité thermique (~ 2,3 W·m-1·K-1 à 1 000℃), un haut point de fusion (~ 2 700℃), un haut coefficient de dilatation thermique (1,1×10-5 K-1) et d'autres propriétés excellentes. Par conséquent, en tant que matériau de couche céramique, il est largement utilisé dans les revêtements barrières thermiques.

(2) Composés de terres rares dopés YSZ

Lorsque le YSZ travaille dans un environnement au-dessus de 1 200 °C pendant une longue période, des transitions de phase et du sinterisation se produisent généralement. D'une part, la phase tétragonale non équilibrée t' est transformée en un mélange de phase cubique c et de phase tétragonale t, et lors du refroidissement, t' est transformée en phase monoclinique m, avec une transition de phase continue accompagnée d'un changement de volume, ce qui entraîne un dépôt rapide du revêtement [27]. D'autre part, le sintering réduit la porosité dans le revêtement, diminue les performances d'isolation thermique et la tolérance aux contraintes du revêtement, et augmente la dureté et le module d'élasticité, ce qui affecte considérablement les performances et la durée de vie du revêtement. Par conséquent, le YSZ ne peut pas être appliqué aux prochaines générations de turbines à gaz lourdes.

En général, les performances du YSZ peuvent être améliorées en changeant ou en augmentant le type de stabilisateur du zirconium, comme la méthode de dopage du YSZ avec des oxydes de terres rares [28-30]. Il a été constaté que plus la différence de rayon entre les ions Zr et les ions dopants est grande, plus la concentration de défauts est élevée, ce qui peut améliorer la diffusion des phonons et réduire la conductivité thermique [31]. CHEN et al. [32] ont utilisé l'APS pour préparer une couche céramique de revêtement barrière thermique (LGYYSZ) avec du YSZ dopé aux La2O3, Yb2O3 et Gd2O3, et ont obtenu le coefficient de dilatation thermique et la conductivité thermique du revêtement barrière thermique par mesures et calculs, puis ont effectué un test de cycle thermique à 1 400℃. Les résultats montrent que, par rapport au revêtement YSZ, le revêtement LGYYSZ présente une conductivité thermique plus faible, une durée de vie de cycle thermique plus longue et une bonne stabilité de phase à 1 500℃. Li Jia et al. [33] ont préparé une poudre de YSZ dopée aux Gd2O3 et Yb2O3 par la méthode de co-précipitation chimique et ont préparé un revêtement de YSZ dopé aux Gd2O3 et Yb2O3 par APS, étudiant l'influence de différentes quantités de dopage d'oxydes sur la stabilité de la phase du revêtement. Les résultats montrent que la stabilité de phase du revêtement YSZ dopé aux Gd2O3 et Yb2O3 est meilleure que celle du revêtement 8YSZ traditionnel. La phase m apparaît moins après traitement thermique à haute température lorsque la quantité de dopage est faible, et une phase cubique stable se produit lorsque la quantité de dopage est élevée.

Par rapport au YSZ traditionnel, le nouveau matériau céramique YSZ modifié présente une conductivité thermique plus faible, ce qui permet au revêtement barrière thermique d'offrir de meilleures performances d'isolation thermique, et fournit une base importante pour la recherche sur les revêtements barrière thermiques haute performance. Cependant, les performances globales du YSZ traditionnel sont bonnes, il est largement utilisé et ne peut être remplacé par aucun YSZ modifié.

Matériau de couche d'adhésion

La couche d'adhésion est très importante dans le revêtement de barrière thermique. De plus, la couche céramique peut être solidement liée à la matrice alliée, et le stress interne causé par le désaccord du coefficient de dilatation thermique dans le revêtement peut être réduit. De plus, la résistance à la corrosion thermique et à l'oxydation du système de revêtement entier peut être améliorée en formant un film d'oxyde dense à haute température, ce qui prolonge ainsi la durée de vie de la barrière thermique. Actuellement, le matériau utilisé pour la couche d'adhésion est généralement une alliages MCrAlY (M est Ni, Co ou Ni+Co, selon l'utilisation). Parmi eux, le NiCoCrAlY est largement utilisé dans les turbines à gaz industrielles en raison de ses bonnes propriétés globales telles que la résistance à l'oxydation et à la corrosion. Dans le système MCrAlY, Ni et Co sont utilisés comme éléments matriciels. En raison de la bonne résistance à l'oxydation de Ni et de la bonne résistance à la fatigue de Co, les propriétés globales de Ni+Co (comme la résistance à l'oxydation et à la corrosion) sont bonnes. Tandis que Cr est utilisé pour améliorer la résistance à la corrosion du revêtement, Al peut renforcer la résistance à l'oxydation du revêtement, et Y peut améliorer la résistance à la corrosion et aux chocs thermiques du revêtement.

Les performances du système MCrAlY sont excellentes, mais il ne peut être utilisé que pour des applications en dessous de 1 100℃. Afin d'augmenter la température de service, les fabricants et chercheurs concernés ont mené de nombreuses recherches sur la modification du revêtement MCrAlY. Par exemple, l'alliage est dopé avec d'autres éléments tels que W, Ta, Hf et Zr [34] afin d'améliorer les performances de la couche d'adhérence. YU et al. [35] ont pulvérisé un revêtement thermique composé d'une couche d'adhérence NiCoCrAlY modifiée par du Pt et d'une couche céramique de zircone stabilisée par 4 % en poids de yttrium (4YSZ) nanostructurée sur une superalliage nickelé de deuxième génération. Le comportement cyclique thermique du revêtement thermique NiCoCrAlY-4YSZ a été étudié dans l'air, ainsi que l'effet du Pt sur la formation et la résistance à l'oxydation de la TGO à 1 100℃. Les résultats montrent que, comparé au Nicocraly-4YSZ, la modification du NiCoCrAlY par le Pt est bénéfique pour la formation de l'α-Al2O3 et la réduction du taux de croissance de la TGO, ce qui prolonge la durée de vie du revêtement thermique. GHADAMI et al. [36] ont préparé un revêtement nanocomposite NiCoCrAlY par pulvérisation à flamme supersonique avec du nanoCEO2. Les revêtements nanocomposites NiCoCrAlY contenant 0,5, 1 et 2 % en poids de nanoCEO2 ont été comparés aux revêtements NiCoCrAlY conventionnels. Les résultats montrent que le revêtement composite NICocRALy-1 % en poids de nano-CEO2 présente une meilleure résistance à l'oxydation, une dureté plus élevée et une porosité plus faible que les autres revêtements NiCoCrAlY conventionnels et les revêtements nanocomposites NiCoCrAlY.

Actuellement, en plus du système MCrAlY qui peut être appliqué comme couche d'adhésion, le NiAl est également un matériau clé pour la couche d'adhésion. Le NiAl est principalement constitué de β-NiAl, qui forme un film d'oxyde continu et dense à la surface du revêtement à des températures supérieures à 1 200℃, et est reconnu comme le candidat le plus prometteur pour un nouveau matériau métallique d'adhésion. Comparé aux revêtements MCrAlY et β-NiAl traditionnels, les revêtements β-NiAl modifiés par PT présentent une meilleure résistance à l'oxydation et à la corrosion. Cependant, le film d'oxyde formé à haute température adhère mal, ce qui réduira considérablement la durée de vie du revêtement. Par conséquent, afin d'améliorer les performances du NiAl, les chercheurs ont mené des études sur la modification par dopage du NiAl. Yang Yingfei et al. [37] ont préparé un revêtement NiCrAlY, un revêtement NiAl, un revêtement NiAl modifié par PT et un revêtement NiAl codopé Pt+Hf, et comparé la résistance à l'oxydation de ces quatre revêtements à 1 100℃. Les résultats finaux montrent que la meilleure résistance à l'oxydation est celle du revêtement NiAl codopé Pt+Hf. Qiu Lin [38] a préparé des alliages massifs NiAl avec différents contenus en Al et des alliages massifs β-NiAl avec différents contenus en Hf/Zr par fusion sous vide par arc électrique, et étudié les effets de l'Al, du Hf et du Zr sur la résistance à l'oxydation de l'alliage NiAl. Les résultats ont montré que la résistance à l'oxydation de l'alliage NiAl augmentait avec l'augmentation du contenu en Al, et que l'ajout de Hf/Zr dans l'alliage β-NiAl était bénéfique pour améliorer la résistance à l'oxydation, avec des quantités optimales de dopage respectivement de 0,1 at.% et 0,3 at.%. LI et al. [39] ont préparé un nouveau revêtement β- (Ni, Pt) Al modifié par des terres rares sur une superalliage à base de Ni2Al riche en Mo par électrodéposition et technologie d'aluminisation à faible activité, et comparé le revêtement β- (Ni, Pt) Al modifié par des terres rares au revêtement β- (Ni, Pt) Al traditionnel. Le comportement de l'oxydation isotherme du revêtement Pt) Al à 1 100℃. Les résultats montrent que les éléments des terres rares peuvent améliorer la résistance à l'oxydation du revêtement.

En résumé, les revêtements MCrAlY et NiAl ont chacun leurs avantages et inconvénients, il est donc nécessaire que les chercheurs continuent de mener des recherches de modification sur la base de ces deux matériaux de revêtement, en cherchant à développer de nouveaux matériaux pour la couche d'adhésion métallique, afin que la température de service du revêtement thermobarrière pour les turbines à gaz lourdes puisse être plus élevée.