Réparation locale par le procédé LPPR de barrières thermiques endommagées sur composants de turbine – RepCoat

Les barrières thermiques (BT) sont des revêtements céramiques, isolants thermiquement, qui protègent les composants métalliques des parties les plus chaudes des turbines à gaz. Elles permettent d'augmenter la température des gaz en entrée de turbine et donc d'améliorer le rendement du moteur et/ou de prolonger la durée de vie des pièces, avec pour conséquence une réduction des coûts. Parallèlement à la recherche de nouveaux systèmes plus fiables sur de longues durées, la réparation du système actuel est devenu un enjeu technologique et économique important pour les exploitants de moteurs tant civils que militaires. Le présent projet a pour objectif d'explorer les potentialités d'un nouveau procédé de dépôt de céramique par plasma basse puissance (LPPR-Low Power Plasma Reactor) développé par le laboratoire LGPPTS de l'ENSCP, pour la réparation de BT localement endommagées.

Des travaux précédents, menés conjointement par l'ENSCP et l'ONERA dans le cadre d'un programme REI financé par la DGA, ont conduit au développement d'un nouveau procédé plasma (LPPR) à l'échelle du laboratoire. Ce procédé permet d'élaborer des BT micro/nanostructurées à partir de précurseurs liquides. Ces derniers sont des solutions aqueuses de nitrates qui sont injectées dans un plasma Ar/O2/N2 basse puissance puis la matière déposée est transformée en oxydes par un post traitement. Il a ainsi été possible de réaliser des dépôts de zircone yttriée partiellement stabilisée (YpSZ), fortement poreux et présentant une diffusivité thermique 2 à 3 fois plus faible que dans le cas des revêtements industriels standard élaborés par projection plasma ou EB-PVD.

Dans ce projet, on se propose dans un premier temps, d'adapter le procédé LPPR pour la réparation de BT partiellement écaillées sur des petits échantillons plans. Dans un second temps il s'agira de développer un réacteur de plus grandes dimensions permettant de revêtir des surfaces plus grandes (~50cm2), de forme complexe et enfin de réparer localement des BT endommagées sur pièces réelles (typiquement à l'échelle d'une aube de turbine haute pression). La microstructure des dépôts réparés dans l'un et l'autre des réacteurs sera caractérisée par différentes techniques (Microscopie Electronique à Balayage, diffraction de rayons X) dans le but d'établir des relations entre paramètres d'élaboration et morphologie des dépôts. L'efficacité et la tenue des réparations seront évaluées, à partir d'observations MEB, au cours de traitements thermiques de vieillissement pour différentes conditions de temps/températures, ainsi qu'en présence de CMAS synthétiques (aluminosilicates de calcium et magnésium résultant de particules ingérées par le moteur en service). Ce travail de recherche exploratoire doit conduire à la validation du procédé LPPR comme moyen de réparation des BT, simple, efficace et peu onéreux.

Le partenaire académique LGPPTS est chargé de concevoir, développer et étudier le procédé LPPR étendu pour permettre le dépôt de YpSZ sur des échantillons de forme complexe. Cette extension sera guidée par les connaissances acquises sur le procédé d'origine à l'échelle du laboratoire. De plus, le LGPPTS mettra au point les conditions de réparation locale de BT endommagées dans les deux réacteurs LPPR. L'institut de recherche ONERA prendra en charge les études microstructurales des revêtements, dans les états bruts de dépôt et de réparation, après vieillissement et après réaction avec les CMAS. Deux industriels du domaine de la maintenance et de la réparation aéronautiques, AIA de l'Armée de l'Air pour les moteurs militaires et CRMA (filiale d'Air France Industrie-KLM) pour l'aviation civile, font partie du projet. Ils apporteront leur savoir-faire et leur expertise dans le domaine de réparation des BT et fourniront des pièces réelles de turbine (aubes mobiles, portions de chambres de combustion) présentant des BT partiellement écaillées.