Pré-oxydation avant déposition d’un revêtement par projection plasma en suspensions (SPS) sur pièces de moteurs d’avions

Les préoccupations environnementales actuelles incitent de plus en plus à réduire les émissions de CO2. Dans ce contexte, les motoristes aéronautiques cherchent à optimiser les turboréacteurs pour réduire ces émissions, via une augmentation des températures de fonctionnement des zones chaudes du moteur d’avion (chambre de combustion, turbine haute pression). Afin d’assurer cette augmentation de températures, il est nécessaire d’améliorer la résistance à la température des pièces situées dans ces zones. Trois solutions nécessaires et complémentaires existent. La première consiste à refroidir ces pièces par le biais de canaux internes de refroidissement par air. La seconde est d’améliorer le matériau de base des pièces en développant des superalliages base Ni monocristallins présentant des résistances mécaniques aux hautes températures (fatigue, fluage…) accrues. Enfin, la troisième solution réside dans l’application d’une barrière thermique (BT) base céramique présente à la surface des pièces aux endroits les plus chauds.

La barrière thermique est déposée sur une sous-couche aluminisée (dopée ou non) servant de protection contre l’oxydation à chaud de la pièce métallique, et de couche d’accroche pour la barrière thermique. L’un des procédés utilisés de dépôt de barrière thermique est la projection plasma de suspensions (SPS), qui a la faculté de produire des barrières thermiques plus performantes. Le procédé SPS implique des étapes de préparation de surface sur cette sous-couche en amont du dépôt, pour assurer l’accroche et la tenue de la barrière thermique. Ces étapes sont composées d’un sablage de la surface suivi d’un traitement de préoxydation ayant pour rôle de créer une couche d’alumine en surface de la sous-couche, permettant une accroche chimique entre la barrière thermique qui va être déposée et le substrat métallique.

L’objectif de cette thèse est la compréhension et la maitrise du mécanisme de formation de la couche d’alumine à la suite d’un traitement de pré-oxydation. Cette oxydation de la sous-couche se fera dans une atmosphère contrôlée en argon et oxygène. Cette thèse visera ainsi à comprendre l’impact des paramètres clés influant sur la couche d’alumine. Pour ce faire une étude de cinétique de réaction par suivi thermogravimétrique sera réalisée. Une fois cette étape maitrisée, il faudra définir des paramètres (T, t, atmosphère du four, P…) permettant d’obtenir la couche d’alumine optimale souhaitée. Il s’en suivra une évaluation des plages de tolérances des paramètres du traitement (T, t, atmosphère, P) et des autres paramètres influents tels que la composition de la sous-couche ou la topologie de surface (Rugosité Ra suite au sablage). L’objectif est de définir une gamme de fonctionnement, pour chaque paramètre cité ci-dessus, dans laquelle on obtient une alumine toujours conforme. La maitrise de la variabilité de ces paramètres et l’optimisation du procédé sont des points essentiels dans la montée en maturité des barrières thermiques déposées par SPS.

Enfin, une étude sur pièce sera réalisée afin de valider sur pièces les conditions développées sur éprouvettes ou de les ajuster le cas échéant.

Ces travaux de thèse s’inscrivent dans le cadre du projet OPTIMA financé par la région Nouvelle-Aquitaine en collaboration avec Safran Aircraft Engine à Châtellerault.

Les grandes étapes de ce projet de recherche sont les suivantes :

• Compréhension de la formation d’alumine et définition des paramètres influants ;
• Evaluation de l’impact des paramètres influants sur la formation de la couche d’alumine en four ;
• Evaluation thermomécanique des revêtements sur éprouvettes et pièces.

Le(la) doctorant(e) exercera son activité de recherche en zone à régime restrictif au sens de l’article R. 413.5.1 du code pénal. Son recrutement est soumis à l’autorisation du Fonctionnaire Sécurité Défense et ne pourra intervenir qu’après autorisation d’accès délivrée par le chef d’établissement.

L’IRCER se structure autour de points forts qui constituent son coeur de métier et contribuent à la visibilité du laboratoire. La pluridisciplinarité entre la science des matériaux et l’ingénierie des procédés, ainsi que la combinaison d’approches fondamentales et appliquées, visent à comprendre, caractériser, maîtriser, modéliser les différents processus qui conduisent à l’obtention d’un objet ou d’un dépôt présentant une ou plusieurs propriétés en vue d’un usage donné. Au-delà de la capacité de l’IRCER à innover, la valorisation des résultats auprès du monde socio-économique est également inscrite dans ses gènes.

L’approche pluridisciplinaire réunit, dans quatre axes de recherche complémentaires, des équipes constituées de chercheurs et enseignants-chercheurs issus de divers horizons scientifiques (chimie, physique, mécanique).

Le développement de céramiques innovantes signifie contrôler les arrangements des entités depuis l’atome jusqu’à l’objet pour générer des propriétés nouvelles ou améliorées, qu’il s’agisse de matériaux cristallins ou amorphes. La caractérisation de ces arrangements nécessite d’avoir recours à des outils analytiques de très haute résolution. Ces outils sont, pour la plupart, combinés à des simulations numériques et à la synthèse de (nano)matériaux modèles afin de mieux appréhender les relations structure/ propriétés.

Le développement de procédés innovants, objectif affiché de l’IRCER, s’appuie sur la compréhension des mécanismes fondamentaux de la mise en forme de matériaux massifs ou de couches et de leur consolidation, dans le but d’atteindre des propriétés améliorées ou des fonctions spécifiques. Le panel de procédés étudiés et potentiellement hybridés est très large : procédés physiques de dépôt par plasmas et/ou lasers, voie sol-gel, impression numérique 2D/3D, procédés de frittage non conventionnels, etc.

La logique « matériau + procédé => produit » induit, dans le domaine des matériaux de structure comme dans celui des matériaux fonctionnels, de nombreuses collaborations avec les acteurs industriels concernés par la production de pièces ou de composants, ou encore avec les concepteurs impliqués dans les technologies utilisatrices de ces matériaux (énergie, technologies de l’information et de la communication (TIC), santé, mécanique, transports, transformation des matières premières...).

D’importants moyens matériels sont mis en œuvre pour élaborer et caractériser les matériaux aux différentes échelles, et pour étudier diverses propriétés chimiques et physiques pertinentes en relation avec les propriétés visées. Il s’agit là d’un atout stratégique majeur pour les thèmes de recherche de l’IRCER se situant au niveau fondamental. D’autres projets menés dans le cadre de partenariats nationaux et internationaux stimulés par des perspectives d’exploitation industrielle bénéficient aussi de la performance du vaste plateau technique dédié.

Bac+5 Sciences des matériaux inorganiques et/ou Génie des Procédés (Master ou diplôme d’ingénieur).

Connaissances nécessaires en physique et chimie du solide, et en moyens de caractérisation des matériaux.

Connaissances souhaitées en traitements de surface, élaboration de revêtements et/ou matériaux céramiques.

Attrait important pour l’expérience et le génie des procédés