Optical Properties of Thermal Barrier Coatings: Relation between Light Scattering, Microstructure and Degradation

Pour des raisons économiques et environnementales, une consommation de carburant plus faible est un enjeu de recherche majeur pour les moteurs d’avions. De manière générale, un moteur est plus efficient lorsqu’il opère à une température plus élevée, ce qui implique que les murs de la chambre de combustion et pales de la section chaude de la turbine doivent aussi être en mesure de survivre à cette température plus élevée. Dans les moteurs modernes, les composants en superalliage ne sont pas en mesure de soutenir cette température et doivent donc être protégés par des revêtements de type barrière thermique (TBCs). Ces derniers sont composés d’une couche d’adhésion ainsi que d’une couche supérieure en céramique réfractaire, habituellement déposée par projection plasma (APS) ou dépôt en phase vapeur assisté par faisceau d’électrons (EB-PVD). Leur microstructure est conçue pour être poreuse, ce qui leur permet de mitiger le transfert de chaleur entre les gaz chauds et les composants métalliques du moteur. Le transfert de chaleur peut se faire selon trois vecteurs principaux : électriquement, par les électrons, par conduction grâce aux phonons ainsi que par radiation, par la transmission de photons. Les TBCs sont en mesure de prévenir chacun d’entre eux, avec les électrons posant peu de difficulté dans l’environnement du moteur, et la majorité des efforts de recherche consacrés à réduire leur conductivité thermique. Leur capacité à réfléchir la radiation, en revanche, n’a pas fait l’objet de beaucoup d’efforts de recherche et provient, presque par chance, de la microstructure poreuse conçue pour réduire la conductivité. Toutefois, alors que la température d’opération du moteur augmente, la proportion du transfert de chaleur attribuable à la radiation augmente à la puissance 3 plus rapidement que celle provenant de la conduction, ce qui signifie que les futurs TBCs doivent être conçus avec la réflexion de la radiation comme enjeu majeur. Pour cette raison, l’objectif principal de ce projet de doctorat est l’étude de la relation entre la microstructure et les propriétés optiques des TBCs. Au début du projet, nous avons observé que les TBCs ont une bonne capacité initiale à réfléchir la radiation, mais que celle-ci diminue de manière importante au cours de leur cycle de vie.