De nombreuses pièces aéronautiques telles que les chambres de combustion sont percées d'une multitudes de trous de refroidissement. Ce perçage, généralement effectué par un laser de puissance peut induire des endommagements dans la matière percée. Sur les systèmes barrières thermiques, une fissuration pouvant conduire à l'écaillage de la barrière thermique se produit à l'interface céramique/sous-couche lors du perçage laser. Cette thèse présente des éléments de compréhension des phénomènes de formation et de propagation de la fissure interfaciale. Pour cela, un protocole spécifique a été utilisé, consistant en la réalisation de perçage interrompus. De plus, afin de comprendre l'influence de la sous-couche et de l'interface sous-couche / céramique sur cette fissuration, une large gamme d'échantillons aux propriétés morphologiques et mécaniques bien distincts ont été sélectionnés. Pour cela, la sous-couche a été modifiée par la variation des paramètres de projection, du procédé de projection ainsi que par des post traitements sur la sous-couche. Le lien entre ces interfaces et les endommagements liés au perçage laser sont présentés au travers d'observations 2D et 3D, destructives et non destructives ainsi que par l'étude des modifications des contraintes résiduelles avant et après perçage laser pour différentes barrières thermiques. De manière a réduire encore la fissure interfaciale, plusieurs stratégies de perçage sont étudiées via la variation de la puissance laser entre les différentes impulsions laser nécessaires pour percer le matériau multicouches. Les résultats obtenus offrent des perspectives intéressantes pour améliorer la résistance à la fissuration des pièces aéronautiques. / Many aircraft engines parts such as combustion chambers are drilled with numerous cooling holes. These holes, generally performed by a high power laser machine can induce damages in the part materials. On thermal barrier coatings systems, cracking can lead to spalling of the coating occurs at the ceramic / bond-coat layer interface during laser drilling. This thesis presents elements of understanding of the interfacial crack formation end propagation phenomena. In this purpose, a specific protocol was used, consisting of interrupted drilling process. Moreover, in order to understand the influence of the bond coat and the ceramic / bond coat interface on cracking, a wide range of samples with specific morphological and mechanical properties were selected. With this in mind, the bond coat was modified by varying spraying parameters, spraying process and also by post treatments on the bond coat. The link between these interfaces and the associated damages due to laser drilling are presented through 2D and 3D observations, destructive and non-destructive, as well as the study of residual stress modification before and after laser drilling for several thermal barrier coatings systems. For further reducing the interfacial crack, several drilling strategies are considered through the laser peak power variation between the different laser pulses needed to drill through the multi-layer material. The results offer interesting perspectives for improving crack resistance of aeronautical engines parts.

La résistance à l'écaillage d'un système barrière thermique est fonction de la composition et microstructure des matériaux constituant le système, ainsi que des procédés utilisés pour son élaboration. Cette thèse s'intéresse à l'influence d'une couche de platine déposée à la surface du dépôt NiCoCrAlYTa (sous-couche) sur le comportement en oxydation du système barrière thermique. Une étude approfondie est d'abord menée afin d'identifier les atouts et points faibles en oxydation cyclique d'un système comprenant un revêtement NiCoCrAlYTa. La formation d'une couche d'oxyde composée non exclusivement d'alumine et l'importante rugosité de la sous-couche, favorisant les défauts au sein de la barrière thermique, accélèrent l'écaillage de la barrière thermique. Parallèlement, la présence de carbures de tantale au sein du dépôt ne suffit pas à stopper le titane qui diffuse depuis le superalliage jusqu'à la couche d'oxyde et dégrade le système. Le platine ayant déjà démontré son effet très bénéfique sur les dépôts aluminures de nickel, il apparaît comme prometteur pour améliorer le comportement en oxydation du revêtement NiCoCrAlYTa. L'étude de son influence débute par une analyse fine de deux sous-couches NiCoCrAlYTa modifié platine : la première comprend un revêtement NiCoCrAlYTa obtenu par co-dépôt électrolytique, la seconde un dépôt NiCoCrAlYTa élaboré par projection plasma sous vide. Cette caractérisation, par diffraction des rayons X et microscopie électronique à balayage et en transmission, met en évidence la présence de martensite en surface du revêtement, conséquence de la diminution de l'activité de l'aluminium par le platine. Elle révèle également la forte influence du procédé utilisé pour l'élaboration du dépôt NiCoCrAlYTa sur la microstructure obtenue après le traitement thermique de diffusion. Des essais d'oxydation isotherme et de préoxydation sont ensuite réalisés sur la sous-couche dont le revêtement NiCoCrAlYTa est élaboré par co-dépôt électrolytique. Les couches d'oxydes formées sont analysées par diffraction des rayons X, spectroscopie Raman et fluorescence. Grâce à l'ajout de platine, qui entraîne l'augmentation de la teneur en aluminium dans la zone externe du revêtement, l'oxydation sélective de l'aluminium est favorisée. Cela se traduit par une diminution de la cinétique d'oxydation et une augmentation de la résistance à l'écaillage de la couche d'oxyde. Cependant, les carbures de tantale se décomposent lors du traitement thermique de diffusion puis lors de l'oxydation, laissant le titane libre de diffuser depuis le superalliage jusqu'à l'oxyde. De l'oxyde de titane est en effet détecté par spectroscopie Raman en petite quantité dans de la couche d'oxyde (avec l'AM3 comme substrat). Un autre point important sur la composition du superalliage est la présence d'élément réactif qui permet de diminuer la croissance de la couche d'oxyde. Concernant les essais de préoxydation, les résultats obtenus indiquent la nécessité d'une faible pression partielle d'oxygène afin de promouvoir la formation d'alumine-a. Le platine, quant à lui, ne favorise pas la formation d'alumine de transition. Des essais d'oxydation cyclique sur des systèmes barrière thermique sont ensuite menés. L'effet bénéfique du platine sur l'oxydation sélective de l'aluminium est confirmé, ce qui entraîne une augmentation de la durée de vie en cyclage. Cependant, la décomposition des carbures de tantale est de nouveau observée. Une diffusion très importante de titane depuis le superalliage jusqu'à l'oxyde est ainsi notée pour les systèmes barrière thermique comprenant une sous-couche modifiée platine avec un dépôt NiCoCrAlYTa obtenu par projection plasma sous vide. Dans le cas de système avec une sous-couche modifiée platine comprenant un dépôt NiCoCrAlYTa élaboré par co-dépôt électrolytique, le problème majeur est la présence de pores en surface et d'une certaine porosité à l'intérieur du revêtement. L'oxydation des pores en surface ainsi que le cyclage thermique provoque la pénétration de l'oxyde puis sa propagation catastrophique dans le revêtement. Les résultats obtenus permettent de dégager les points importants de l'élaboration d'un système barrière thermique. Il est alors recommandé que le superalliage contienne un élément réactif mais peu de titane. Le dépôt NiCoCrAlYTa nécessaire à la fabrication de la sous-couche doit être dense et la préparation de surface, avant et après le dépôt de platine, doit permettre d'obtenir une faible rugosité de surface avant le dépôt de la barrière thermique. Enfin, les paramètres (température, pression partielle d'oxygène, sablage) lors de la première oxydation du système doivent être contrôlés de manière à favoriser la formation d'alumine-a. / The resistance to spallation of a thermal barrier coating system depends on the composition and the microstructure of the materials constituting the system, as well as on the processes used for its manufacturing. This PhD is interested in the influence of a Pt layer deposited on the surface of the NiCoCrAlYTa coating (bond coating) on the oxidation behavior of the thermal barrier coating system. A thorough study is first carried out in order to define the assets and the weak points under cyclic oxidizing conditions of a system composed of a NiCoCrAlYTa coating. The formation of an oxide layer not only composed of alumina and the great roughness of the bond coating, favoring defects within the thermal barrier, speed up the thermal barrier spallation. At the same time, the presence of tantalum carbides within the coating is not sufficient to prevent titanium from diffusing from the bond coating toward the oxide layer and from degrading the system. Platinum having already demonstrated its beneficial effect on nickel aluminide coatings, it seems promising in order to improve the oxidation resistance of the NiCoCrAlYTa coating. The study of its influence starts by a thorough analyses of two Pt-modified NiCoCrAlYTa bond coatings: the first one is composed of a NiCoCrAlYTa coating made by composite electroplating, the second one is composed of a NiCoCrAlYTa coating manufactured by vacuum plasma spray. This characterization, done using X-ray diffraction and secondary and transmission electron microscopy, highlights the presence of martensite at the coating surface, consequence of the decrease in the aluminium activity by platinum. It also reveals the strong influence of the process used to manufacture the NiCoCrAlYTa coating on the microstructure obtained after diffusion heat treatment. Preoxidation and isothermal oxidation tests are then carried out on the systems for which the NiCoCrAlYTa coating is made by composite electroplating. The oxide layers that formed are analyzed by X-ray diffraction, Raman spectroscopy and fluorescence. With Pt addition, that leads to an increase in the aluminium concentration in the external part of the coating, the selective oxidation of aluminium is favored. This results in a decrease in the oxidation kinetics and an increase in the resistance to spallation of the oxide layer. However, tantalum carbides decompose during the diffusion heat treatment and then during the oxidation, making the titanium free to diffuse from the superalloy toward the oxide. Indeed, titanium oxide is identified in small quantity in the oxide layer by Raman spectroscopy (with AM3 as substrate). Another relevant point on the superalloy composition is the presence of reactive elements that leads to a decrease in the oxide layer growth. Concerning the preoxidation tests, the obtained results indicate the necessity of a low oxygen partial pressure so as to promote the a-alumina formation. As for platinum, it does not favor the formation of transient alumina. Cyclic oxidation tests on thermal barrier coating systems are then carried out. The beneficial effect of platinum on the selective oxidation of aluminum is confirmed, that leads to longer lifetimes under thermal cycling. However, the tantalum carbides decomposition is observed once again. A great titanium diffusion from the superalloy toward the oxide is noticed for the thermal barrier coating systems composed of a platinum modified bond coating with a NiCoCrAlYTa deposit made by vacuum plasma spraying. In the case of systems composed of a Pt modified bond coating with a NiCoCrAlYTa deposit manufactured by composite electroplating, the main issue is the presence of pores at the surface and of a porosity within the coating. The pores oxidation at the surface as well as the thermal cycling result in the oxide penetration and then its disastrous propagation within the coating. The obtained results reveal the relevant points concerning the manufacturing of thermal barrier coating systems. It is recommended to use a reactive element containing superalloy that has very little titanium. The NiCoCrAlYTa coating required for the bond coating manufacturing has to be dense and the surface preparation, before and after the Pt deposit, has to lead to a surface with a low roughness before the deposition of the thermal barrier coating. Finally, the parameters during the first oxidation of the system (temperature, oxygen partial pressure, grit blasting), has to be done in order to favor a-alumina formation.

L'adhésion des revêtements est l'objectif premier de tout système afin de pouvoir apporter les propriétés de surface voulues par projection thermique. De façon conventionnelle, des traitements de sablage sont régulièrement employés afin de promouvoir des phénomènes d'ancrage mécanique entre les deux matériaux mis en contact.Néanmoins, selon la nature même des matériaux, un certain nombre de limitations peuvent être observées aussi bien d'un point de vue usage que tenue. Une fragilisation des surfaces peut en effet être remarquée dès lors qu'ils'agit du traitement de matériaux ductiles. Pour palier certaines de ces contraintes, des traitements palliatifs sont alors recherchés parmi lesquels les traitements laser apparaissent particulièrement bénéfiques dont la texturation laser. Les revêtements barrière thermique sont l'application visée de cette étude avec comme objectif une optimisation de leur durabilité à chaud (oxydation, fluage). Une sous-couche d'accroche est habituellement déposée mais les modes d'endommagement recensés semblent se concentrer autour de cette dernière. L'objectif de c etravail a donc visé à remplacer la sous-couche par une topographie de surface spécifique du substrat générée partexturation laser et permettant un ancrage mécanique suffisant aux chargement mécaniques et thermiques subis par les aubes de turbines hautes températures.Lors de l'interaction laser-matière, une élévation en température de l'extrême surface jusqu'à la température defusion et de vaporisation du matériau peut être observée et permettre la formation de motifs. Les dimensions de tels motifs sont donc liées à l¿énergie par impulsion et au nombre d¿impulsions. Pour valider de tels effets, les mécanismes de perçage ont donc été étudiés grâce à une modélisation thermo hydraulique et une validation postmortem des échantillons. Les dimensions des motifs alors contrôlées, le remplissage des surfaces texturées par des particules fondues projetées par le procédé APS a été étudié afin de minimiser le nombre de défauts proche de l'interface. Deux modes de rupture ont pu être identifiés en fonction de la morphologie de surface pour descontraintes de traction et de cisaillement. Les fissures se propagent à l'interface jusqu'à avoir des changements dedirection. L'énergie de propagation de la fissure augmente donc jusqu'à atteindre une valeur limite correspondant àla ténacité du revêtement. Dans ce cas, la tenue n'est pas fonction de la surface totale en contact mais de larépartition spatiale et l'ouverture des motifs, la seule limite de la tenue du revêtement restant la cohésion du dépôt.D'un point de vue applicatif, le but de cette étude a été de caractériser les modes d'endommagements de systèmes barrière thermique sans sous-couche pour des conditions rencontrées en service. Les mécanismes d'endommagement dus à l'oxydation et à l'allongement viscoplastique à 1100C ont donc été isolés par des essais àdes flux thermiques isothermes et cyclés, de fluage et de fatigue thermomécanique. Le traitement laser modifiant localement la microstructure des surfaces, une modification des couches d'oxydes a tout d'abord pu être identifiée.En effet, contrairement aux traitements conventionnels où la croissance d'oxyde n'est pas constante (point limitant de la durée de vie du système), l'apparition de spinelles et d'une couche dense d'alumine protectrice en surface des matériaux texturés a pu être observée. L'ancrage mécanique ainsi créé a démontré alors une durée de vie nettement améliorée face à des conditions extrêmes. / Coating adhesion is requiered to rpomote specific surface properties by thermal spraying. Conventional prior-surface treatments have been developed to create anchoring zones but the adhesion strenght and their applications are limited. Laser surface texturing increases and adapts the adhesion surface. Therefore, two interface failure modes have been related to texture morphologies for tensile and shear stresses. The energy released rate at the interface increases up to coating toughness when the crack path is sharp. Mixed-mode failures have been observed with adhesive and cohesive cracks around and above pattern respectively. So, the adhesion stengyh is function of the contact aera precisely linked to pattern distribution and morphology. Thermal barrier coating system without bond coat life-span has been evaluated for thermomechanical stresses (YSZ coating on single crystal based Nickel). The bond coat has been remplaced by an adapted substrate surface topography. According ti the laser parameters (energy per pulse, pulse numbers) pattern morphology can be created. Therefore, textured surface filling by melted particles has been studies to minimize interface defaults and created mixed-mode failures for during plasma spray coatings. The drilling mechanisms have been evaluated by numerical modeling and experimental analysis. The pattern dimensions and heat affected zones has been identified. The laser treatment changes the microstructure locally.Oxydation tests have been performed to study the surface pre-tratments effects on oxide nature and mass gain rate. The damaging mechanisms ave been studied under isotherm and cyclic high temperature tests and also under creeping and thermo-mechanical fatigue tests. Grit-blasting change the natural oxides, limits life-span and bucking failure mode have been obeserved. Natural oxides have been analyzed for the textured substraes also but anchoring mechanism enables large life-span under high temperature tests. Mechanical applied stresses (constant and cyclic) validate the beneficial effects of patterned surfaces. The interface is stronger than the coating toughness and the patterns do not create early cracks under thermo-mechanical solicitations.

<p>The preparation of multiple unit tablets was investigated in this thesis with the intention of gaining a deeper understanding of some of the factors that influence the properties of such tablets.</p><p>Initially, three different types of pellets (drug, soft and disintegrant pellets) were combined as a model to investigate the ability of the mixture to form disintegrating tablets. The proportions of the different pellets and the type of disintegrant used were factors that independently influenced the tablet properties. Furthermore, the properties of tablets containing drug pellets barrier-coated with an aqueous polymer dispersion were also found to depend on the coating thickness and the compaction pressure.</p><p>When compacting pellets barrier-coated with a solvent-based polymer solution without incorporating excipient particles in the tablet formulation, a high pellet porosity was advantageous to preserve the original drug release profile, even though highly porous pellets became more densified and deformed than pellets of lower porosity.</p><p>The influence of the properties of excipient particles on the deformation<b> </b>of the reservoir pellets was also studied and, although the amount of flattening of the pellets was only slightly affected, changes in the pellet shape (irregularity) with alterations in the porosity and size of the excipient particles were more substantial. In contrast, the properties of the excipient particles did not affect the pellet densification.</p><p>The solvent-based coating used was able to adapt to the changes in volume and shape that the pellets underwent during compaction. The coating structure appears to be changed by compaction and it is proposed that the final structure of the coating is the net effect of two parallel processes, one reducing and one prolonging the transport time of the drug across the coating. Thus, the drug release could be maintained or even prolonged after compaction, despite extensive structural changes of the reservoir pellets.</p>

The preparation of multiple unit tablets was investigated in this thesis with the intention of gaining a deeper understanding of some of the factors that influence the properties of such tablets. Initially, three different types of pellets (drug, soft and disintegrant pellets) were combined as a model to investigate the ability of the mixture to form disintegrating tablets. The proportions of the different pellets and the type of disintegrant used were factors that independently influenced the tablet properties. Furthermore, the properties of tablets containing drug pellets barrier-coated with an aqueous polymer dispersion were also found to depend on the coating thickness and the compaction pressure. When compacting pellets barrier-coated with a solvent-based polymer solution without incorporating excipient particles in the tablet formulation, a high pellet porosity was advantageous to preserve the original drug release profile, even though highly porous pellets became more densified and deformed than pellets of lower porosity. The influence of the properties of excipient particles on the deformation<b> </b>of the reservoir pellets was also studied and, although the amount of flattening of the pellets was only slightly affected, changes in the pellet shape (irregularity) with alterations in the porosity and size of the excipient particles were more substantial. In contrast, the properties of the excipient particles did not affect the pellet densification. The solvent-based coating used was able to adapt to the changes in volume and shape that the pellets underwent during compaction. The coating structure appears to be changed by compaction and it is proposed that the final structure of the coating is the net effect of two parallel processes, one reducing and one prolonging the transport time of the drug across the coating. Thus, the drug release could be maintained or even prolonged after compaction, despite extensive structural changes of the reservoir pellets.

Thermal barrier coatings (TBC’s) are used to provide both thermal insulation and oxidation protection to high temperature components within gas turbines. The development of turbines for power generation and aviation has led to designs where the operation conditions exceed the upper limits of most conventional engineering materials. As a result there has been a drive to improve thermal barrier coatings to allow the turbine to operate at higher temperatures for longer. The focus of this thesis has been to design thermal barrier coatings with lower conductivity and longer lifetime than those coatings used in industry today. The work has been divided between the development of new generation air plasma spray (APS) TBC coatings for industrial gas turbines and the development of suspension plasma spray (SPS) TBC systems. The route taken to achieve these goals with APS TBC’s has been twofold. Firstly an alternative stabiliser has been chosen for the zirconium oxide system in the form of dysprosia. Secondly, control of the powder morphology and spray parameters has been used to generate coating microstructures with favourable levels of porosity. In terms of development of SPS TBC systems, these coatings are relatively new with many of the critical coating parameters not yet known. The focus of the work has therefore been to characterise their lifetime and thermal properties when produced in a complete TBC system. Results demonstrate that dysprosia as an alternative stabiliser gives a reduction in thermal conductivity. While small at room temperature and in the as produced state; the influence becomes more pronounced at high temperatures and with longer thermal exposure time. The trade-off for this lowered thermal conductivity may be in the loss of high temperature stability. Overall, the greatest sustained influence on thermal conductivity has been from creating coatings with high levelsof porosity. In relation to lifetime, double the thermo-cyclic fatigue (TCF) life relative to the industrial standard was achieved using a coating with engineered porosity. Introducing a polymer to the spray powder helps to generate large globular pores within the coating together with a large number of delaminations. Such a structure was shown to be highly resistant to TCF testing. SPS TBC’s were shown to have much greater performance relative to their APS counterparts in thermal shock life, TCF life and thermal conductivity. Columnar SPS coatings are a prospective alternative for strain tolerant coatings in gas turbine engines.

In the United States, natural gas turbine generators account for approximately 7% of the total primary energy consumed. A one percent increase in gas turbine efficiency could result in savings of approximately 30 million dollars for operators and, subsequently, electricity end-users. The efficiency of a gas turbine engine is tied directly to the temperature at which the products of combustion enter the first stage, high-pressure turbine. The maximum operating temperature of the turbine components’ materials is the major limiting factor in increasing the turbine inlet temperature. In fact, current turbine inlet temperatures regularly exceed the melting temperature of the turbine vanes through advanced vane cooling techniques. These cooling techniques include vane surface film cooling, internal vane cooling, and the addition of a thermal barrier coating (TBC) to the exterior of the turbine vane. Typically, the performance of vane cooling techniques is evaluated using the adiabatic film effectiveness. However, the adiabatic film effectiveness, by definition, does not consider conjugate heat transfer effects. In order to evaluate the performance of internal vane cooling and a TBC it is necessary to consider conjugate heat transfer effects. The goal of this study was to provide insight into the conjugate heat transfer behavior of actual turbine vanes and various vane cooling techniques through experimental and analytical modeling in the pursuit of higher turbine inlet temperatures resulting in higher overall turbine efficiencies. The primary focus of this study was to experimentally characterize the combined effects of a TBC and film cooling. Vane model experiments were performed using a 10x scaled first stage inlet guide vane model that was designed using the Matched Biot Method to properly scale both the geometrical and thermal properties of an actual turbine vane. Two different TBC thicknesses were evaluated in this study. Along with the TBCs, six different film cooling configurations were evaluated which included pressure side round holes with a showerhead, round holes only, craters, a novel trench design called the modified trench, an ideal trench, and a realistic trench that takes manufacturing abilities into account. These film cooling geometries were created within the TBC layer. Each of the vane configurations was evaluated by monitoring a variety of temperatures, including the temperature of the exterior vane wall and the exterior surface of the TBC. This study found that the presence of a TBC decreased the sensitivity of the thermal barrier coating and vane wall interface temperature to changes in film coolant flow rates and changes in film cooling geometry. Therefore, research into improved film cooling geometries may not be valuable when a TBC is incorporated. This study also developed an analytical model which was used to predict the performance of the TBCs as a design tool. The analytical prediction model provided reasonable agreement with experimental data when using baseline data from an experiment with another TBC. However, the analytical prediction model performed poorly when predicting a TBC’s performance using baseline data collected from an experiment without a TBC. / text

L’augmentation des températures de fonctionnement des turboréacteurs est un axe de développement privilégié dans l’industrie aéronautique. Une solution est l’amélioration des systèmes barrières thermiques. Ce travail de thèse s’intéresse au procédé de projection plasma de suspensions (SPS) qui permet d’envisager une amélioration significative des performances pour les prochaines générations de barrières thermiques, comparé au procédé d’évaporation sous faisceau d’électrons (EB-PVD). Le procédé SPS a en effet démontré une capacité à générer des microstructures colonnaires qui présentent un intérêt pour l’accommodation des contraintes thermo-mécaniques. Une étude microstructurale a conduit à l’identification des paramètres influant sur les variations de morphologies des revêtements (taille de colonnes, distribution de taille, compacité). Deux nuances optimisées en zircone yttriée (YSZ), nommées colonnaire et colonnaire compacte, ont été caractérisées de façon approfondie afin de déterminer les bénéfices du procédé SPS. Ces nuances se caractérisent par une conductivité thermique inférieure à 1 W.m-1.K-1, sur une plage de température allant de 25 à 1100 °C, soit des valeurs avantageuses par rapport à celles des revêtements EB-PVD (1,3 – 1,5 W.m-1.K-1). La durée de vie des dépôts SPS, estimée par cyclage thermique, est au moins équivalente à un dépôt YSZ réalisé par EB-PVD et cyclé en même temps. Le résultat le plus élevé obtenu, supérieur à 2000 cycles, est particulièrement prometteur. La capacité de fonctionnalisation du procédé SPS a par ailleurs permis la réalisation de systèmes multifonctionnels comprenant un dépôt colonnaire YSZ et un dépôt homogène Gd2Zr2O7 en surface. Cette architecture bicouche a pour objectif de pallier les infiltrations chimiques de type CMAS (CaO–MgO–Al2O3–SiO2) qui constituent un frein pour l’augmentation de la température de fonctionnement. Le caractère anti-CMAS du matériau Gd2Zr2O7 mis en forme par SPS a été évalué jusqu’à 1300 °C. / The increase of operating temperature of gas turbine engines is an issue of interest for the aeronautic industry. A solution is the enhancement of thermal insulation properties of thermal barrier coatings (TBCs). The present work is related to suspension plasma spraying process (SPS) that allows to consider significant improvements for the next generation of TBC systems, compared to the currently used process, namely electron beam physical vapor deposition (EB-PVD). Indeed, SPS process can produce columnar microstructures able to provide high thermo-mechanical compliance. A microstructural study led to identify parameters which impacted the coating morphology (column size, distribution, and compaction). Two optimized yttria-stabilized zirconia (YSZ) microstructures were carefully characterized to highlight SPS process advantages. Low thermal conductivities (< 1 W.m-1.K-1) were obtained within a large temperature range (25 °C – 1100 °C), compared to EB-PVD YSZ coatings (1,3 – 1,5 W.m-1.K-1). Thermal lifetime was estimated thanks to thermal cyclic fatigue tests. A similar level of thermal lifetime was reached with SPS coatings compared to EB-PVD one. Some SPS columnar coatings even showed more than 2000 cycles to failure. The ability of SPS to perform multifunctional systems, including a YSZ columnar structure with a homogeneous Gd2Zr2O7 coating on the top, was investigated. This architecture must provide a chemical protection to CMAS (CaO–MgO–Al2O3–SiO2) aggressions. These contaminants would impede the increase of temperature in next generation of gas turbine engines. The anti-CMAS behavior was assessed for SPS Gd2Zr2O7 coatings until 1300 °C.

Les composites à matrices céramique (CMC) en raison de leur stabilité à haute température et de leurs propriétés mécaniques sont des matériaux de choix pour remplacer les superalliages à base de nickel au niveau des pièces de turbines. Cependant, les CMC qui sont constitués de carbure de silicium sont sensibles aux espèces oxydantes et corrosives telles que l’eau et l’oxygène à haute température. Le CMC sous cet environnement sévère peut être dégradé chimiquement, s’accompagnant d’un affaiblissement de ses propriétés mécaniques. Pour protéger et augmenter la durée de vie du CMC, un revêtement protecteur (EBC) est déposé généralement par projection thermique. Les céramiques sélectionnées sont des silicates de terres rares. Elles doivent faire face à trois phénomènes majeures :(i) la diffusion des espèces ioniques au sein de la structure cristalline (ii) la réaction de l’eau avec le silicate en surface qui forme des espèces hydroxydes volatiles provoquant la récession du matériau et (iii) la dissolution par les sables présents dans l’atmosphère : les CMAS. Tout l’enjeu de ce travail est dans un premier temps de mettre en place une méthodologie fiable pour caractériser de manière précise et complète l’influence de la microstructure sur les propriétés du matériau. Une deuxième partie sur l’optimisation des performances du matériau a été mise en place en jouant sur l’architecture du revêtement et sa composition. / Ceramic matrix composites due to their high temperature stability and mechanical properties are materials of choice to replace nickel superalloys in turbine. However, CMC are made of silicon carbide which is sensitive to oxidizing and corrosive species such as water and oxygen at high temperature.CMC under this severe environment is chemically degraded and may see its mechanical properties reduced. It seems necessary to cover this CMC by a protective coating : environmental barriers (EBC).These EBCs made of rare earth silicates have to face three most phenomena: (i) diffusion of ionic species in the crystal structures of EBC (ii) the surface volatilization of the silicate induced by reactions with moisture (iii) dissolution by melted sands: CMAS. The aim of this work is to implement amethodology to characterize the influence of the microstructure on the properties of the material. A second part deal with the optimization of the performance of the materials by modifying the architecture of the coating and its composition.

L'objectif de la thèse est de développer des systèmes de Barrières Thermiques (BT) « capteurs » base zircone yttriée (ZrO2 + 9.8mol% Y2O3, YSZ) déposés par voie sol-gel selon un procédé de trempage-retrait. Ceux-ci sont dédiés à la mesure de la température par des méthodes de thermométrie par fluorescence et au suivi de l'endommagement dans l'épaisseur des revêtements. Les méthodes proposées sont basées sur le suivi de l'évolution, notamment avec la température, des propriétés de photoluminescence de marqueurs fluorescents lanthanides Ln3+, tels que l'europium Eu3+, le dysprosium Dy3+, l'erbium Er3+, le samarium Sm3+ ou encore le thulium Tm3+. Ceux-ci sont directement incorporés dans la structure de la zircone, semi-transparente dans le domaine d'émission visible de ces marqueurs. Un banc de mesure des propriétés de fluorescence (spectres, intensités et temps de vie) a spécifiquement été développé dans ce but. La caractérisation des différents couples YSZ:Ln3+ sous forme de poudres synthétisées par voie sol-gel a permis d'optimiser les compositions de manière à maximiser l'intensité du signal de fluorescence tout en préservant les propriétés microstructurales requises pour une BT. Les dépôts sol-gel réalisés par trempage-retrait permettent la fabrication de prototypes de BT multicouches fonctionnalisées intégrant jusqu'à trois couches fluorescentes de longueurs d'onde d'émission distinctes. De tels systèmes architecturés permettent de sonder optiquement la totalité de l'épaisseur de zircone déposée pour de futures applications visant à évaluer les gradients thermiques siégeant dans le volume des revêtements. Des BT fonctionnalisées contenant des défauts de délamination pré-calibrés à l'interface métal/céramique ont été également utilisées pour comparer l'intérêt d'une méthode de fluorescence accrue par réflectance et d'une méthode de thermographie infrarouge pour le suivi et l'évaluation des processus d'endommagement précurseurs de l'écaillage. Enfin, le potentiel qu'offrent les poudres de zircone YSZ:Ln3+ dopées en tant que marqueurs fluorescents de l'histoire thermique, alternatifs aux peintures thermiques utilisées industriellement, a aussi été analysé. / The aim of this work is to develop and study yttria stabilised zirconia (ZrO2 + 9.8at% Y2O3, YSZ) based thermal barrier coating (TBC) « sensor » systems deposited by a dip coating sol-gel process, and dedicated to temperature measurement and to the monitoring of damaging occuring within the thickness of the coatings, using fluorescence thermometry methods. These methods are based on the monitoring of the fluorescence properties of photoluminescent activators from the trivalent lanthanide ions group (Ln3+), such as samarium Sm3+, europium Eu3+, dysprosium Dy3+, erbium Er3+ and thulium Tm3+. These activators are directly incorporated into the zirconia YSZ host matrix lattice, which is semi-transparent at their emission wavelengths mainly falling in the visible range. An experimental set up was especially developped for the application of these methods. The characterisation of the different YSZ:Ln3+ powders synthesized by a sol-gel process allowed to optimise the compositions, and thus maximize the fluorescence signal intensity while avoidind any alteration of the zirconia crystal structure required from for a TBC material. The sol-gel dip coating process allowed to deposit functionalised multilayer TBC prototypes integrating up to three fluorescent layers with distinct emission wavelengths distributed throughout the thickness. Such coating architectures allow, with the fluorescence thermometry methods identified, to optically probe the coating across the whole thickness for future applications aiming to determine the thermal gradient in TBCs. Functionalised TBCs containing pre-calibrated delamination defects at the metal/ceramic interface were also used to compare the interest of the reflectance enhanced fluorescence method and an IR thermography method for early monitoring of TBC spallation. At last, the potential offered by YSZ:Ln3+ powders as thermal history sensors alternative to temperature sensitive paints was also investigated.