Les superalliages base nickel sont couramment utilisés dans les parties chaudes des turbines aéronautiques et de production d'énergie. Les températures employées, supérieures à 900°C, nécessitent de concevoir des revêtements protecteurs pour lutter contre les phénomènes d'oxydation. Les revêtements couramment utilisés, composés pour la plupart de la phase β-NiAl, permettent de retarder les phénomènes de dégradation en développant une couche d'alumine. Dans les sections les plus chaudes, une barrière thermique composée de céramique, associée à un système de refroidissement interne complètent le dispositif de protection en permettant d'abaisser la température effective au niveau du substrat métallique.Ces revêtements sont cependant onéreux et utilisent de nombreux produits polluants. Les travaux de cette thèse, qui s'inscrivent dans le cadre du projet européen Particoat, se proposent d'élaborer un système barrière thermique en une seule étape reposant sur l'application d'une barbotine à base aqueuse comprenant des microparticules d'aluminium, suivi d'un traitement thermique approprié. L'aluminium contenu dans les sphères devient liquide puis réagit avec le substrat pour former une couche d'intermétallique riche en aluminium par diffusion à l'état solide. Simultanément les coquilles des sphères s'oxydent pour former une structure mousse en surface du substrat qui va conférer au système son isolation thermique. La cohésion des deux parties est assurée par l'oxyde thermique qui se forme à la surface du revêtement inter métallique. Les mécanismes mis en jeu lors des différentes étapes, ont été étudiés sur un substrat modèle, le nickel, ainsi que sur trois superalliages industriels (René N5, PWA 1483 et CM-247). Les revêtements ainsi élaborés ont été testés en condition d'oxydation isotherme et cyclique entre 900 et1100°c pour le nickel et entre 1000 et 1100°C pour les superalliages revêtus. L'ensemble montre une bonne résistance du système barrière thermique élaboré par barbotine.

Dans le secteur aéronautique en pleine expansion, les préoccupations environnementales prennent une place de plus en plus importante. Les motoristes recherchent des solutions innovantes pour augmenter les rendements tout en diminuant les coûts. Dans cette perspective, de nouveaux systèmes de barrières thermiques synthétisés par la voie sol-gel à partir de poudres commerciales, de céramiques avec différents facteurs de forme et d'agents porogènes ont été mis en œuvre et évalués. Certains systèmes présentent une durée de vie de plus de 1000 cycles en oxydation cyclique. Malgré tout, cet accroissement des températures de fonctionnement des moteurs, induit une élévation des températures de surfaces des barrières thermiques et peut générer de nouvelles dégradations du système complet : la corrosion à hautes températures par les CMAS. Pour pallier ces inconvénients, il est possible de développer des revêtements anti-CMAS, susceptibles de réagir avec les composés CMAS avant qu'ils n'aient un effet néfaste sur l'intégrité de la barrière thermique. Dans cette étude, nous nous sommes intéressés particulièrement aux revêtements sacrificiels anti-CMAS à base d'yttrine et de systèmes pyrochlore, qui ont été testés sur des barrières thermiques industrielles de type EBPVD. Par ailleurs, les procédés que nous avons développés, basés sur la voie sol-gel, nous permettent, de par leur facilité de mise en œuvre, d'envisager des perspectives prometteuses en termes de réparabilité des barrières thermiques endommagées. En effet, compte tenu du coût élevé de fabrication des pièces, les aubes devraient être réparées plusieurs fois avant d'être mises au rebut. Dans ce travail, un procédé de mise en forme a été évalué dans ce sens. Il s'agit de l'électrophorèse qui est une technique bien adaptée au dépôt sur pièces complexes. L'objectif de ces investigations a donc été double : tout d'abord créer de nouveaux systèmes de barrières thermiques avec des propriétés anti-CMAS par électrophorèse puis réparer les barrières thermiques EBPVD endommagées et leur déposer une couche protectrice anti-CMAS par ce même procédé. Cet aspect " procédé " sera abordé en dernière partie de ces travaux. / In the aeronautics sector, environmental concerns are becoming increasingly important. Engine manufacturers are looking for innovative solutions to increase efficiency while lowering costs. The objective is to optimize thermal conductivity and durability with the cyclic oxidation resistance. In this perspective, new thermal barrier systems synthesized by the sol-gel route from commercial powders, ceramics with various form factors and pore-forming agents have been implemented and evaluated. Some systems are a lifetime higher than 1000 cycles in cyclic oxidation. However, this increase in the operating temperatures of the engines induces an increase in the temperature of the surfaces of the thermal barriers and can generate further degradations of the complete system: the corrosion by CMAS. To overcome these disadvantages, it is possible to develop anti-CMAS coatings capable of reacting with CMAS compounds before they have a detrimental effect on the integrity of the thermal barrier. In this study, we were particularly interested in anti-CMAS protective coatings based on yttria and pyrochlore systems, which were tested on industrial thermal barriers realized by EBPVD. Moreover, the processes we have developed, based on the sol-gel path, allow us, because of their ease of implementation, to envisage promising prospects in terms of repair of damaged thermal barriers. Indeed, given the high cost of manufacturing parts, the blades should be repaired several times before being discarded. In this work, a shaping process has been evaluated in this direction. This is electrophoretic deposition which is a technique allowing to deposit on complex parts. The objective of these investigations was therefore twofold: firstly to create new thermal barrier systems with anti-CMAS properties by electrophoretic deposition and then to repair the damaged EBPVD thermal barriers and to deposit an anti-CMAS protective layer by this same process. This "process" aspect will be discussed at the end of this work.

Les superalliages base nickel sont couramment utilisés dans les parties chaudes des turbines aéronautiques et de production d’énergie. Les températures employées, supérieures à 900°C, nécessitent de concevoir des revêtements protecteurs pour lutter contre les phénomènes d’oxydation. Les revêtements couramment utilisés, composés pour la plupart de la phase β-NiAl, permettent de retarder les phénomènes de dégradation en développant une couche d’alumine. Dans les sections les plus chaudes, une barrière thermique composée de céramique, associée à un système de refroidissement interne complètent le dispositif de protection en permettant d’abaisser la température effective au niveau du substrat métallique.Ces revêtements sont cependant onéreux et utilisent de nombreux produits polluants. Les travaux de cette thèse, qui s’inscrivent dans le cadre du projet européen Particoat, se proposent d’élaborer un système barrière thermique en une seule étape reposant sur l’application d’une barbotine à base aqueuse comprenant des microparticules d’aluminium, suivi d’un traitement thermique approprié. L’aluminium contenu dans les sphères devient liquide puis réagit avec le substrat pour former une couche d’intermétallique riche en aluminium par diffusion à l’état solide. Simultanément les coquilles des sphères s’oxydent pour former une structure mousse en surface du substrat qui va conférer au système son isolation thermique. La cohésion des deux parties est assurée par l’oxyde thermique qui se forme à la surface du revêtement inter métallique. Les mécanismes mis en jeu lors des différentes étapes, ont été étudiés sur un substrat modèle, le nickel, ainsi que sur trois superalliages industriels (René N5, PWA 1483 et CM-247). Les revêtements ainsi élaborés ont été testés en condition d’oxydation isotherme et cyclique entre 900 et1100°c pour le nickel et entre 1000 et 1100°C pour les superalliages revêtus. L’ensemble montre une bonne résistance du système barrière thermique élaboré par barbotine. / Nickel superalloys are commonly used in the high temperature sections of aero- and land-based turbines blades. Protection of these materials by coatings is required to improve their resistance to oxidation beyond 900°C. The conventional process consists of a β-NiAl, which allows to form a protective alumina scale with alow oxidation kinetic. In the hottest parts of the turbine, a ceramic is used as a thermal barrier coating in addition to an internal cooling system in order to diminish the temperature seen at the metallic substrate surface. However, these existing methods are expensive, long and pollutant. Thus, this PhD thesis aims at producing a new thermal barrier system in one step, in the frame of the European project Particoat. Its concept is to apply on the substrate an aqueous slurry containing aluminum microparticles. Then, during an appropriate heat treatment the metallic particles sinter and oxidize completely resulting in a quasi-foam structure made of alumina hollow spheres (TBC). Simultaneously, the diffusion of the Al into the substrate creates a bond coat below the TBC. This coating formation is studied on model alloy (pure nickel) and on three different superalloys (René N5, PWA-1483 and CM-247). The pure nickel coated system is tested during isothermal and cyclic oxidation between 900°C and 1100°C whereas the degradation of the superalloys is realized upon cyclic oxidation at 1000°C and 1100°C. The overall results show a good resistance of this new thermal barrier system, enlightened by an industrial aluminide coatings comparison.

Les principaux objectifs de ces travaux de thèse sont d'une part d'optimiser le protocole d'élaboration des barrières thermiques (BT) issues de la voie sol-gel et d'autre part de caractériser l'adhérence de ces barrières thermiques mais aussi de proposer des pistes en vue d'augmenter la durée de vie de celles-ci. Tout d'abord, une première étude a porté sur le choix et la validation d'un nouvel agent dispersant pour optimiser la formulation du sol chargé permettant la mise en forme des barrières thermiques. Ainsi, ce changement de dispersant a généré une microstructure conduisant à une augmentation significative de la durée de vie du système en oxydation cyclique mais a aussi permis de simplifier le protocole d'élaboration puisque l'étape de colmatage, jusqu'alors nécessaire, a été supprimée. L'étude paramétrique de la microstructure surfacique des barrières thermiques a montré que le réseau de microfissures formé initialement restait stable en fonction du vieillissement avec la création d'un sous-réseau microfissuré. Pour comprendre les mécanismes d'endommagement des barrières thermiques sol-gel et les confronter à ceux des barrières thermiques industrielles EB-PVD, la méthode d'indentation interfaciale a été retenue pour sonder l'interface revêtement/substrat. Ainsi des valeurs de ténacités apparentes ont pu être déterminées afin de comparer les adhérences des BTSG et des BTEB-PVD. A partir de ces résultats, des modèles phénoménologiques d'endommagement ont été imaginés. Pour les BTEB-PVD, l'initiation et la propagation de fissures restent localisées à l'interface barrière thermique/sous-couche de liaison, d'un coté ou de l'autre de l'oxyde de croissance selon les conditions, alors que pour les BTSG, l'endommagement est induit par la libération d'énergie élastique stockée dans le système qui augmente en fonction du vieillissement. / The main objectives of this PhD are first to improve and optimise the elaboration protocol of thermal barrier coatings (TBC) manufactured by the sol-gel route and then to characterise their adhesion and investigate the possibility to enhance their lifetime. A preliminary study is focused on the selection and validation of a new dispersing agent to optimise the composite sol formulation before shaping TBC. Indeed, the new dispersant induced a microstructure allowing to significantly increase the cyclic oxidation lifetime of the system but also to simplify the elaboration process as the reinforcement step was suppressed. The parametric study of TBC surface microstructure proved that the initial micro-cracks network remained stable during ageing including the formation of a crack sub-network. To understand the damage mechanisms of sol-gel TBC and to compare them to those corresponding to industrial EB-PVD TBC, the method of interfacial indentation was developed to investigate the subtrate/top-coat interface. The apparent toughness values were determined to compare both BTSG and BTEB-PVD adhesions. From these results, phenomenological models for damage mechanisms were proposed. For BTEB-PVD, crack initiation and propagation are located at the top-coat/bond-coat interface, either on one side or the other side of the thermally grown oxide (TGO) depending of the conditions. For BTSG, the damage is a consequence of the release of the elastic strain energy stored in the system, increasing with the ageing temperature.

Les systèmes barrière thermique actuels connaissent une importante dispersion de durées de vie liée principalement aux ondulations de surface du revêtement métallique β-(Ni,Pt)Al provoquant l’écaillage du dépôt céramique. Les revêtements γ-γ’ riches en platine sont étudiés en tant qu’alternative au système actuel. Ce travail de thèse s’est intéressé à l’élaboration des revêtements γ-γ’ riches en platine sur un superalliage à base de nickel, l’AM1 à partir de procédés conventionnels : dépôt électrolytique de platine et aluminisation courte. Les mécanismes de dégradation par oxydation cyclique à 1100°C ont été étudiés sur des systèmes revêtement/AM1 et sur des systèmes barrière thermique. Pour comparaison, trois types de revêtement ont été élaborés : γ-γ’ Pt seul, γ-γ’ Pt+Al et β-(Ni,Pt)Al. Ces essais ont mis en évidence une meilleure tenue à l’oxydation cyclique des systèmes revêtus γ-γ’ Pt+Al comparée aux deux autres systèmes revêtus. L’importance de l’ajout d’aluminium dès l’élaboration sur la tenue à l’oxydation cyclique a été soulignée. La modélisation p-kp a mis en avant une augmentation de la proportion d’écaillage au cours du temps du fait de la dégradation de l’interface métal/oxyde et une augmentation du kp du fait de la formation d’un oxyde à croissance plus rapide. Outre l’oxydation, les phénomènes d’interdiffusion lors des tous premiers instants à haute température ont été étudiés à partir de matériaux modèles (Ni13Al et Ni11Al10Cr) et de revêtements de Pt et/ou de Pt-Ir. Ces essais ont mis en avant la rapide formation de la phase α-NiPtAl, les transformations de phases et les chemins de diffusion à 1100°C dans les systèmes Ni-Al-Pt et Ni-Al-Cr-Pt. L’effet du chrome et de l’iridium sur les cinétiques de diffusion a été évalué. La modélisation de l’interdiffusion a mis en évidence les interactions chimiques entre les espèces et une sursaturation en lacunes dans la zone d’interdiffusion prouvant que l’effet Kirkendall est responsable de la formation des pores. / TBC systems currently used in aircraft engines with a Pt-modified aluminide coating β-(Ni,Pt)Al show an important lifetime dispersion due to the surface undulations of the bond-coating. This phenomenon called rumpling leads to the ceramic scale spallation and is the most common degradation mechanism. Pt-rich γ-γ’ bond-coatings have been extensively studied for their corrosion and oxidation resistance, and as a lower cost alternative to β-(Ni,Pt)Al bond-coatings. The aim of this work was to fabricate Pt-rich γ-γ’ bond-coatings on a first generation Ni-based superalloy, the AM1. Conventional processes were used as a platinum electroplating and a short aluminizing step. The failure mechanisms occurring by cyclic oxidation at 1100°C were studied on coating/superalloy systems and on TBC systems. Three kinds of coatings were fabricated: Pt-only γ-γ’, Pt+Al γ-γ’ and β-(Ni,Pt)Al. These tests highlighted the best oxidation resistance for the Pt+Al γ-γ’/AM1 systems when compared with the two other systems. Al addition during the coating fabrication is necessary to improve the lifetime. The p-kp modeling results pointed out that the oxide scale spalling probability p increases due to the metal/oxide interface degradation with time. If the spallation increases, a breakaway locally occurs with the formation of a fast-growing oxide explaining the kp progression. The interdiffusion phenomena were also investigated during the first times at high temperature from model alloys (Ni13Al and Ni11Al10Cr) and Pt and/or Pt-Ir coatings. These investigations emphasized the rapid formation of the α-NiPtAl phase, the phase transformations and diffusion paths at 1100°C in the ternary Ni-Al-Pt and quaternary Ni-Al-Cr-Pt systems. Chromium and iridium effect was evaluated on the diffusion kinetics. Interdiffusion modeling highlighted the chemical interactions between the species and a vacancy supersaturation in the interdiffusion zone proving that Kirkendall effect is responsible for void formation.