Étude tribologique à hautes températures de matériaux céramiques structurés à différentes échelles

ABSTRACT: Dans certaines applications, les matériaux céramiques utilisés sont soumis à des conditions extrêmes de température et d'usure mécanique produites par leur interaction avec des flux convectifs de gaz chauds et avec des particules solides pouvant favoriser l’abrasion [1-3] et leur dégradation. Par exemple, pour la fabrication du verre et du ciment, les matières premières sont chauffées, respectivement, entre 1450 et 1530 °C, et, entre 1300 et 1450 °C [4-6]. Afin de minimiser les actions de la haute température et de l’abrasion, l'utilisation de solutions en volume ont été nécessaires telles que des réfractaires électrofondus de type Al2O3-α/β et Al2O3-ZrO2-SiO2 (AZS) avec des porosités très faibles et des phases cristallines très résistantes à l'usure [6], mais aussi à des coûts très élevés [1-2, 7]. Par ailleurs, des solutions en surface ont également été utilisées comme des revêtements céramiques à base d’Al2O3 et/ou de SiO2 projetés thermiquement par plasma à pression atmosphérique sur des réfractaires [1, 2], afin d’augmenter leur performance et leur durée de vie. D’autre part, les éléments métalliques des turbines utilisées par l’industrie aéronautique sont soumis à des températures et des vitesses élevées dans des atmosphères agressives susceptibles de favoriser l'abrasion [8, 9] et provoquant leur dégradation prématurée. Dans les conditions d’utilisation, ces métaux sont exposés à des températures supérieures à 500°C [10] sous des atmosphères oxydantes ou réductrices en fonction des gaz utilisés pour la combustion [11]. Dans ce cas, des superalliages résistants aux températures élevées comme l'Inconel, sont revêtus par des barrières thermiques TBC (en Anglais : Thermal Barrier Coating) fabriquées principalement par projection thermique par plasma à pression atmosphérique à partir d’une sous-couche métallique et d’une couche à base de ZrO2 [12] pour les chambres de combustion et par EBPVD (en Anglais : Electron Beam Physical Vapor Deposition) pour les aubes mobiles. Cette dernière décade, des progrès significatifs sur les technologies ont vu le jour pour réaliser des dépôts avec de hautes performances comme des revêtements multi-couches avec des propriétés mécaniques et chimiques élevées. Ils permettent aux systèmes revêtement/substrat d'être conçus de telle sorte que la combinaison fonctionne de manière optimale [13]. Ainsi, différents types de compositions et de phases, de multi-couches et d’échelles structurales pour des revêtements ont été utilisés [14-15]. La littérature montre quelques recherches pour augmenter la durée de vie des matériaux soumis à haute température et usure mécanique, mais les études tribologiques à haute température restent limitées et ce domaine n'a pas été largement étudié, encore moins pour les revêtements céramiques déposés par projection thermique par flamme sur des substrats céramiques. Il serait souhaitable de mieux comprendre les mécanismes d’usure et du contact glissant entre les surfaces fonctionnant à hautes températures [13] pour optimiser les propriétés des matériaux. En tenant compte de l’état de l’art, les objectifs principaux de cette thèse sont d’évaluer la performance et de comprendre les mécanismes d'usure à haute température qui ont lieu lorsque différentes compositions chimiques (Al2O3, ZrO2, mullite), échelles (finement structuré, microstructuré et submillimétrique) et configurations (monocouche, bicouche et volume) de revêtements réalisés par projection plasma à pression atmosphérique sur un réfractaire silico-alumineux, et de réfractaires électrofondus commerciales, interagissent, car à hautes températures, l’effet de ces compositions, échelles et configurations sur l’usure abrasive par contact glissant, n’a pas été suffisamment étudié. Les revêtements d’Al2O3, de ZrO2-Al2O3 et de ZrO2-Y2O3 correspondent à la configuration monocouche, aussi qu’aux échelles finement structurée et microstructurée, tandis que les revêtements de mullite/Al2O3, de mullite/ZrO2-Al2O3 et de mullite/ZrO2-Y2O3 correspondent à la configuration bicouche, où la couche extérieure de mullite est microstructurée et les sous-couches peuvent correspondre aux échelles finement et microstructurées. De la même façon, les réfractaires électrofondus d’Al2O3 et d’AZS correspondent à la configuration en volume et à l’échelle submillimétrique qui ont été aussi utilisées comme références en raison de la haute résistance à l’usure qu’ils montrent en service. Pour les essais tribologiques à haute température, ces matériaux seront exposés à des conditions d’usure par contact glissant (5 N, 20000 tours et 0,10 m.s-1) avec un tribomètre de type bille sur disque aux températures de 25, 500, 750 et 1000°C. Il est important de mentionner que les compositions chimiques, les échelles, les configurations, la technique de projection et en général toutes les conditions utilisées, ont aussi pour but d’évaluer les revêtements céramiques développés comme un moyen possible de protection des réfractaires soumis à des conditions d’usure abrasive extrêmes. Par exemple, la protection des réfractaires dans les ports de combustion et de charge des matières premières des fours actuellement utilisés par les industries de fabrication du verre et du ciment, mais qui n’ont pas de fonctions structurales et qui ne sont pas en contact direct avec le verre ou le ciment. D’autres résultats complémentaires sont présentés dans les annexes de cette thèse. Les résultats des taux et les mécanismes d’usure de revêtements d’Al2O3, finement et microstructurés, réalisés par projection à la flamme oxyacétylénique sur le même substrat silico-alumineux qui ont été étudiés aux mêmes conditions d’usure et de température préalablement mentionnées, sont présentés afin de comparer l’influence des deux techniques de projection sur le comportement tribologique de ce matériau à températures élevées. De même, une étude a également été faite sur un revêtement d’alumine réalisé sur un substrat métallique d’Inconel 718, afin de déterminer si le comportement tribologique à haute température est influencé par le substrat, mais aussi pour évaluer les revêtements comme moyen possible de protection contre l’usure à hautes températures de superalliages actuellement utilisés par l’industrie spatial et aéronautique