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Barrières thermiques pour une décarbonation de la transformation chaleur vers énergie: comprendre les limites de l’utilisation de la combustion de l'hydrogène – TBC4H2

Résumé de soumission

L'objectif du projet est d'acquérir de nouvelles connaissances sur le comportement à haute température de revêtements barrière thermique (TBC). Les méthodes de dépôt envisagées des couches céramiques sont la pulvérisation par plasma en suspension (SPS) et le dépôt physique en phase vapeur par faisceau d'électrons (EB-PVD) pour protéger un superalliage monocristallin à base de nickel avec des sous-couches métalliques (BC). L'application de tels systèmes est notamment le turboréacteur aéronautique pour des températures de fonctionnement supérieures aux capacités des superalliages actuellement utilisés - 1200 °C et dans des conditions de combustion d'hydrogène. L'augmentation de la température de fonctionnement et donc de l'efficacité des turboréacteurs permettra de réduire la consommation de carburant des avions de nouvelle génération et contribuera directement à la réduction des émissions de CO2 dans l'environnement, répondant ainsi aux besoins mondiaux en matière de neutralité carbone. De cette manière, le projet est conforme aux objectifs de la politique du Green Deal en matière de transport durable, qui prévoit une réduction significative des émissions de CO2 du secteur des transports de 90 % d'ici 2050. En outre, le projet prévoit de déterminer l'effet d'une teneur élevée en vapeur d'eau dans l'atmosphère, caractéristique de la combustion de l'hydrogène, sur la durabilité des TBC sur des superalliages à base de nickel. L'utilisation d'hydrogène vert dans les turbines à gaz permettra de supprimer les émissions de CO2.

Le projet implique l'utilisation de sous-couches (BC) compatibles avec un fonctionnement à 1200 °C. Celles-ci comprendront des revêtement de diffusion Pt-?/?' comme alternative aux aluminures de Nickel enrichis en Pt, (Ni,Pt)Al, ainsi que des BC déposées par des méthodes de projection plasma atmosphérique (APS). Les revêtements céramiques (TC) comprendront la zircone standard stabilisée à l'oxyde d'yttrium (7YSZ) à 7 % en poids et du zirconate de gadolinium (Gd2Zr2O7 - GZ) déposé par les méthodes SPS et EB-PVD. Le projet vise à poursuivre une voie d'optimisation qui permettra une approche plus rapide et plus économe en matériaux pour l'évaluation de l'adhésion des TBC et de leur comportement à l'endommagement à haute température. Pour y parvenir, une nouvelle méthodologie basée sur les chocs laser - test d'adhésion par choc laser (LASAT) - sera mise en œuvre. De plus, le LASAT sera utilisé pour évaluer l'effet sur la résistance à la rupture de températures élevées dans des atmosphères riches en vapeur d'eau des TBC (ténacité interfaciale ou intrinsèque des couches céramiques déposées). Les objectifs scientifiques du projet comprennent l'analyse du comportement en oxydation isotherme et cyclique de diverses sous couche et de TBC à 1200 °C, ainsi que des études systématiques de microstructure à l'échelle nanométrique des interfaces BC/TGO et TGO/TC avec ou sans effet de la vapeur d'eau par STEM.

La combinaison de l'optimisation des dépôts, du vieillissement complexe dans une atmosphère de combustion d'hydrogène, de l'analyse approfondie de la microstructure et des tests d'adhérence globale par LASAT permettra une compréhension des phénomènes mis en jeux pour aider à une conception optimale des matériaux. La stratégie de modélisation du choc laser sera finalement employée afin de comprendre le rôle de la morphologie des dépôts céramiques et des interfaces dans l'adhésion. Les résultats, s'ils sont corrélés à l'expérience, seront consignés dans un abaque qui pourra être utilisée comme guide pour l'optimisation du procédé de dépôt. Le projet commencera à TRL 1 et se terminera à TRL 5 (les valeurs TRL diffèrent selon le partenaire et la technologie utilisée) par la démonstration de la technologie développée sur un ensemble d'aubes de turboréacteur d'avion.

Coordination du projet

Vincent Maurel (ECOLE NATIONALE SUPERIEURE DES MINES DE PARIS)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

L-IFM Lukasiewicz Research Network – Institute For Ferrous Metallurgy
SUT Silesian University of Technology
IWS Fraunhofer IWS
MINES Paris, Centre des Matériaux ECOLE NATIONALE SUPERIEURE DES MINES DE PARIS
AA AVIO POLSKA SPOLKA Z OGRANICZONA ODPOWIEDZIALNOSCIA

Aide de l'ANR 1 174 941 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2023 - 36 Mois

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