Revêtements Avancés Multicouches Multifonctionnels pour les Centrales Solaires à Concentration – 2MAC-CSP

Le système multifonctionnel multicouche développé dans ce projet pourrait être utilisé dans une plage de température plus élevée (1000 ° C et plus) que les récepteurs solaires actuels, ce qui permettrait un chauffage direct du fluide caloporteur. Le niveau de maturité technologique (TRL) au lancement du projet était de 2 (la production de revêtement céramique était possible, mais aucune analyse de la performance de ce matériau dans un environnement critique n'avait jamais été faite). Nous nous attendions dans les 48 mois à atteindre le niveau TRL 4 (validation du potentiel de ce matériau à l'échelle du laboratoire avec un environnement de travail significatif).
La première question à résoudre était (a) la réalisation du revêtement à haute température sur un substrat métallique et (b) le contrôle de sa microstructure et de ses propriétés optimales pour protéger le matériau de cœur de l'oxydation, sans provoquer d'isolation thermique. La topographie de surface pouvait également être importante, car elle affecterait son émissivité, et donc l'absorption des flux de chaleur et / ou les pertes radiatives. Nous envisagions d'étudier d'abord le revêtement d'AlN qui était au commencement du projet le plus avancé à travers le procédé HT-CVD, mais le SiC (bonne sélectivité spectrale avec une forte absorbance dans le spectre solaire) a également été étudié, son procédé de déposition ayant pu être développé au cours du projet. Les études de modélisation préliminaires (thermodynamique, thermo-mécanique) nous ont aidés dans la prise de décision. Le laboratoire SIMaP a ainsi pu acquérir des compétences scientifiques dans l'optimisation du processus HT-CVD en fonction de ces exigences.
La deuxième question était de reproduire, dans une expérience de laboratoire de courte durée, les conditions d'oxydation en milieu extrême pour prédire le vieillissement à long terme (plusieurs mois) des multi-matériaux traités. L'installation REHPTS a permis d'effectuer une telle analyse dans des conditions reproductibles. L'enceinte MEDIASE a également été utilisé pour effectuer des mesures d'émissivité spectrale à haute température sur les empilements réalisés, permettant de voir si celles-ci étaient affectées de manière significative par le traitement à haute température sous atmosphère oxydante.

La faisabilité des dépôts AlN et SiC a pu être démontrée et ce jusqu’à des taille d’échantillons de 15 cm x15 cm. Pour le revêtement AlN, nous avons montré qu’il pouvait être utilisé jusqu’à 900°C.
Le revêtement SiC présente les résultats les plus prometteurs : son oxydation est en effet lente et l'ensemble est très peu affecté par l'oxydation, même après 50h d'oxydation l'épaisse de la couche d'oxyde reste inférieur au micron.
De plus, comme montré sur l’illustration jointe à ce résumé, son émissivité normale reste élevée à haute température dans le spectre solaire (longueur d'onde inférieure à 2,8 µm), puis diminue au-delà. Cela a pour conséquence de favoriser l’absorption du flux solaire concentrée tout en limitant les pertes de chaleur par rayonnement. Il reste néanmoins à améliorer l’accommodation entre le revêtement SiC et le substrat pour limiter la fissuration de celui-ci. Un modèle prédictif a été établi, permettant pour la première fois de prédire la durée de vie des revêtements en conditions d’utilisation.
Différents alliages ont également été testés pour servir de substrat aux revêtements. L'alliage TZM (à base molybdène, produit par l'entreprise Plansee) a été le premier testé mais nous avons constaté son inadéquation en raison d'une production importante d'oxydes de molybdène gazeux, les micro-fissures du revêtement favorisant l'attaque directe du substrat. Les alliages Fe-Cr-Al (FeCrAlloy de la société Goodfellow et Kanthal APMT de la compagnie Sandvik) ont montré qu'il résistait davantage à l'oxydation, d'autant plus en étant revêtu de SiC, mais l'accomodation devra être améliorée pour réduire la fissuration du revêtement. Enfin, l'alliage Kanthal Super ER (Mo-Si-Al) également produit par la compagnie Sandvik a montré une résistance à l'oxydation prometteuse, mais son comportement thermomécanique n'a pas encore été étudié.

Le laboratoire SIMaP continue de travailler à l'optimisation de l'accomodation entre un revêtement de SiC et un substrat d'alliage Kanthal APMT, en utilisant différentes couches d'accomodation. Une publication est en cours de préparation sur les résultats d'essais en four solaire sur des échantillons où une couche de SiC a été déposée sur du Kanthal APMT préoxydé, une couche de 2µm d'alumine servant de couche d'accomodation.
Cette étude se poursuit désormais sans le soutien de la société SIL’TRONIX ST (PME). Cette dernière, présente pendant la majeure partie du projet et impliquée dans la réalisation des démonstrateurs de dimension 15x15cm², a recentré ses activités en décembre 2020 et suspendu ses activités de CVD depuis cette date, dans l’attente d’un marché porteur.

5 articles dans des journaux à comité de lecture (1 dans Corrosion Science, 2 dans Surface and Coating Technologies, 1 dans MRS Communications, 1 dans Oxidation of Metals) ont été publiés pendant le projet. 7 présentations ont été données lors de congrès internationaux (CIMTEC 2018, SolarPACES 2018 et 2020, MRS 2019, ICMCTF 2019, ICMSE 2019, IUPAC 2019), 2 lors de congrès nationaux (JNES 2017 et Matériaux 2018). 2 mémoires de thèse (Danying Chen et Johann Colas, en 2019) ont été rédigés en lien avec le projet ainsi qu’une partie d’un mémoire d’habilitation à diriger des recherches (Ludovic Charpentier 2020).

Le marché en expansion des centrales solaires à concentration requiert l'emploi de matériaux haute température pour deux éléments critiques.
Le premier est le récepteur solaire qui doit convertir le flux solaire concentré incident en chaleur transférée à un fluide caloporteur. Le principal verrou est de développer une surface qui absorberait le plus large spectre possible de ce flux solaire concentrée et présenterait les pertes radiatives les plus faibles possible. Comme cette surface est directement exposée à l'air, elle peut s'oxyder, ce qui affecterait ses propriétés optiques. Un revêtement anticorrosion et à sélectivité spectrale pourrait optimiser les performances de cette surface.
Le second élément est l'échangeur de chaleur qui permet de transférer la chaleur d'un premier caloporteur liquide ou fluidifié (sels fondus, particules céramiques...) vers un gaz (idéalement de l'air). Cet échangeur pourrait supporter de la corrosion à haute température, et un revêtement avancé pourrait améliorer sa résistance envers cela. La philosophie de recherche adoptée dans ce programme est la conception et le développement d'un système optimal de revêtement qui optimiserait les propriétés de la surface (sélectivité spectrale, résistance à l'oxydation et à l'abrasion) d'un alliage métallique haute température choisi pour sa bonne conductivité thermique.
Utilisant la technique de dépôt chimique en phase vapeur à haute température développée au laboratoire SIMaP avec le soutien de l'entreprise SIL'TRONIX ST, nous espérons pouvoir concevoir des matériaux multicouches, avec un revêtement céramique sur un alliage métallique, qui pourrait supporter une température de travail au-delà de 1000°C, ce qui accroîtrait le rendement d'une centrale solaire de 15%. Le premier objectif serait une sélection de candidats qui réaliseraient (a) les exigences de stabilité dans les conditions opératoires et (b) la possibilité d'être déposés par HT-CVD au-dessus de 1000 °C.
Le deuxième objectif serait de déterminer ce qui se passe réellement lors des phénomènes de vieillissement induits par la température pour les absorbeurs solaires et échangeurs de chaleur.
La première originalité du programme de recherche est de développer un système multicouche et multifonctionnel par (a) l'ajout d'un revêtement (AlN) sur un alliage métallique haute température connu (TZM), déposé à des températures de l'ordre des conditions opératoires des éléments solaires, (b) la gestion de la compatibilité mécanique et chimique du revêtement par la conception de minces barrières.
La seconde originalité du projet repose sur l'utilisation de ces outils uniques et spécifiques pour évaluer les performances de l'empilement proposé.
Nous espérons d'ici 48 mois passer d'un TRL 2 (la production d'un revêtement céramique est possible, mais aucune analyse de la performance du matériau dans un environnement critique n'a jamais été réalisée) à un TRL 4 (validation du potentiel de ce matériau à l'échelle laboratoire dans un environnement de travail significatif).
Les premières difficultés à surmonter concernent le revêtement et seront (a) sa production à haute température et (b) le contrôle de sa microstructure optimale pour protéger le matériau de l'oxydation, sans provoquer une isolation thermique. La topographie de la surface sera aussi importante car elle affectera son émissivité. Nous prévoyons d'étudier en premier lieu le revêtement AlN qui est actuellement le plus avancé par HT-CVD, mais d'autres compositions comme SiC (bonne sélectivité spectrale avec une absorptivité élevée du spectre solaire) ou WC pourraient être étudiées.
La deuxième difficulté sera de reproduire, sur des expériences de laboratoire à courte durée, des conditions d'oxydation en milieu extrême pour prédire la vieillissement sur le long terme (plusieurs mois) des multi-matériaux réalisés. Le réacteur REHPTS peut permettre de mener une telle analyse dans des conditions reproductibles.