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Des moteurs d'avion aux systèmes d'échappement de voitures : quelles sont les applications étonnantes des revêtements à barrière thermique ?
Les revêtements à barrière thermique (TBC) sont des systèmes de matériaux avancés couramment appliqués aux surfaces métalliques qui fonctionnent dans des conditions de température élevée, telles que les chambres de combustion et les turbines des moteurs à turbine à gaz, ainsi que les systèmes de gestion thermique des gaz d'échappement des automobiles. Ces revêtements de matériaux thermiquement isolants, d'épaisseurs allant de 100 microns à 2 millimètres, isolent efficacement de la chaleur, permettant aux composants de maintenir leur efficacité de fonctionnement et leur durabilité malgré des charges thermiques sévères.
Les revêtements de barrière thermique peuvent prolonger la durée de vie des composants et réduire l'oxydation et la fatigue thermique.
Avec la demande croissante de moteurs à haut rendement, qui doivent fonctionner à des températures de fonctionnement plus élevées et avoir une meilleure durabilité, il existe une dynamique croissante pour le développement de nouveaux revêtements de barrière thermique avancés. Les exigences matérielles pour les revêtements de barrière thermique sont similaires à celles des écrans thermiques, mais dans cette dernière application, le taux de génération de chaleur est généralement plus important.
Structure et exigences du revêtement barrière thermique
Un revêtement de barrière thermique efficace doit répondre à certaines exigences pour fonctionner correctement dans des environnements thermomécaniques difficiles. Pour faire face aux contraintes de dilatation thermique pendant le chauffage et le refroidissement, une porosité appropriée est nécessaire et le coefficient de dilatation thermique doit correspondre à celui de la surface métallique à revêtir. De plus, la stabilité de phase doit être maintenue afin d'éviter des changements de volume importants (comme ceux qui se produisent lors des changements de phase). Les revêtements de barrière thermique se composent généralement de quatre couches : un substrat métallique, une couche de liaison métallique, une couche d'oxyde développée thermiquement (TGO) et une couche supérieure en céramique.
Pour qu'un revêtement barrière thermique dure, les coefficients de dilatation thermique entre toutes les couches doivent être bien adaptés.
Mécanisme d'échec
Les mécanismes de défaillance des revêtements à barrière thermique sont complexes et peuvent varier en fonction de l'environnement du cycle thermique. Bien qu'il existe de nombreux mécanismes de défaillance qui ne sont pas entièrement compris, la croissance d'oxyde développé thermiquement (TGO), le choc thermique et le frittage de la couche supérieure sont les trois facteurs les plus importants conduisant à la défaillance du revêtement de barrière thermique.
La croissance de la couche TGO est l'une des raisons les plus importantes de la perte et de l'échec du TBC. Lorsque le TGO est formé avec chauffage, il provoquera une contrainte de croissance en compression liée à l'expansion du volume ; lors du refroidissement, une déformation de disparité de réseau sera générée en raison de différents coefficients de dilatation thermique. Cette série de contraintes conduira finalement à la fissuration et au pelage du revêtement de barrière thermique. .
Le choc thermique est un mécanisme de défaillance principal, car les contraintes induites par des changements de température aussi drastiques peuvent provoquer des fissures dans le revêtement de barrière thermique.
De plus, le frittage augmente la densité de la couche supérieure, provoquant la formation de fissures. Il a été rapporté que les matériaux composites céramiques à base de nitrure de silicium présentent également des performances supérieures à celles des matériaux traditionnels en nitrure de zirconium dans les applications de revêtement à barrière thermique.
Types de revêtements à barrière thermique
Différents matériaux de revêtement de barrière thermique ont des caractéristiques différentes. Y compris la zircone couramment utilisée (YSZ), le zirconate de métal terreux, le % d'oxyde d'aluminium et d'azote, etc. Le YSZ est le plus connu et est largement utilisé dans les moteurs à carburant en raison de sa bonne stabilité thermique et de sa faible conductivité thermique. Cependant, YSZ rencontre des changements de phase à des températures élevées, entraînant une dégradation des performances.
Les oxydes de terres rares (tels que CeO2) et les composites métal-verre ont montré leur potentiel en tant que matériaux alternatifs.
Champs de candidature
L'application de revêtements de barrière thermique est de plus en plus courante dans les véhicules modernes, en particulier pour réduire les pertes de chaleur dans les composants du système d'échappement, tels que les collecteurs d'échappement et les boîtiers de turbocompresseur. De plus, dans le domaine aéronautique, l'utilisation de tels revêtements est extrêmement importante, souvent utilisée pour protéger les superalliages à base de nickel et leur permettre de fonctionner au-dessus du point de fusion pour améliorer les performances des moteurs.
Cependant, avec la demande de carburant et les progrès des technologies vertes, comment améliorer continuellement les performances des revêtements à barrière thermique et leur permettre de fonctionner de manière stable à des températures plus élevées est un défi auquel l'industrie attachera une grande importance à l'avenir. .
La technologie de revêtement à barrière thermique a montré un large potentiel d'application dans de nombreux secteurs. Comment cette technologie va-t-elle être développée à l'avenir pour répondre à l'évolution des besoins ?
