Axe B2 > Opération 2 - Ingénierie des surfaces pour des environnements haute température

Introduction

The research activities of the group « surface engineering for high temperature environments » respond to both scientific and technological stakes. We focus our studies on the understanding of the behaviour of materials exposed to aggressive environments at high temperatures so as to design the appropriate protective methods (coatings/ surface modification) for e.g. aeronautical engines and for power utilities (supercritical steam turbines, nuclear plants….) with adequate oxidation/corrosion resistance and thermal properties. The materials of investigation include ferritic, ferritic-martensitic, stainless steels, nickel alloys and superalloys at present.
The main protective methods include diffusion coatings (Al, Al/Cr, Al/Si, Al/Pt, etc.) by slurry and overlay coatings by electrodeposition (rare earth oxides, Pt, Ni…). In collaboration with other research/academic and industrial partners, access to CVD, out-of-pack and pack cementation, plasma spray, HVOF and EB-PVD, and to thermal barrier coatings (TBC) allows to complete the panel of investigation.
Repair activities of serviced components are also investigated through selective stripping of corrosion and oxide products and new and worn coatings through chemical and electrochemical methods.
Complementary activities are devoted to the role played by residual stresses in the degradation behaviour of the thermal oxide films. In particular, in situ studies are undertaken at different scales to investigate the stress/stain magnitude evolution in the oxide/metal system. These studies concern different metallic materials working at high temperatures.
The testing facilities include : isothermal and cyclic oxidation (up to 1600°C, controlled atmosphere incl. water vapour). Slurry and potentiostate/galvanostate (6 channels, 3 electrodes, max. voltage : 5V and current : 20 A). Thermal analyses : TGA, DSC, laser flash, vertical dilatometry (up to 1600°C) allowing e.g. to determine thermal conductivity. Physicochemical and structural analyses : XRD, Raman spectroscopy, SEM/EDS, wettability (surface energy)…Thermodynamic and kinetic/diffusion models are accomplished by HSC, Thermocalc and DICTRA.

Les activités de recherche du groupe « ingénierie de surface pour les environnements à haute température » répondent à la fois aux enjeux scientifiques et technologiques. Nous concentrons nos études sur la compréhension du comportement des matériaux exposés à des environnements agressifs à des températures élevées afin de concevoir les méthodes de protection appropriées (revêtements / modification de surface) pour, par exemple, les moteurs aéronautiques et les centrales de production d’énergie (turbines à vapeur supercritique, centrales nucléaires ....) procurant une résistance à l’oxydation / corrosion adéquate et de propriétés thermiques adaptées. Les matériaux de recherche comprennent principalement les aciers ferritiques, ferrito-martensitiques et austénitiques, les alliages de nickel et ses superalliages.

Les principales méthodes de protection étudiées concernent les revêtements de diffusion (Al, Al / Cr, Al / Si, Al / Pt, etc.) par barbotine (slurry) et revêtements en couche (overlay) d’oxydes de terres rares, Pt, Ni, etc., obtenus par électrodéposition. En collaboration avec d’autres partenaires académiques, de recherche et industriels l’accès à d’autres techniques de revêtement (CVD, out-of-pack, pack cementation, projection plasma, HVOF et EB-PVD) et aux revêtements barrière thermique (TBC) permet de compléter le panel des recherches menées dans le groupe.
Les activités de réparation des pièces endommagées, après leur utilisation, sont également étudiées par décapage sélectif de produits de corrosion et/ou d’oxydation et de revêtements neufs et usés par des méthodes chimiques et électrochimiques.

Des activités complémentaires sont dédiées au rôle des contraintes résiduelles dans l’endommagement mécanique des couches d’oxydes thermiques. Un accent particulier est mis sur le suivi in situ des états de chargement du système métal/oxyde ceci à différentes échelles de résolution spatiale. Des investigations en ce sens sont menées sur différents alliages métalliques fonctionnant à hautes températures.
Les principaux moyens d’étude comprennent : fours d’oxydation isotherme et cyclique (jusqu’à 1600°C, vapeur d’eau, atmosphères contrôlées…). Méthodes de dépôt par slurry et potentiostat / galvanostat (6 canaux, 3 électrodes, tension max. 5V et courant max. 20 A). Analyses thermiques : TGA, DSC, flash laser, dilatométrie vertical (jusqu’à 1600 °C) permettant, par exemple, la détermination de la conductivité thermique. Anlyses physico-chimiques et structurelles : DRX, spectroscopie Raman, SEM/EDS, mouillabilité (énergie de surface). Les modèles thermodynamiques et cinétiques/diffusion sont réalisés par HSC, Thermocalc et DICTRA.

Current Project

Current Project
Slurry Al-based coatings for protection in steam and oxy-fuel conditions of ultrasupercritical steam turbines
(European project “POEMA”)
Low-k thermal barrier coating systems in single step process by slurry
Selective dissolution of corrosion products and coatings of turbine blades (SR Technics, SAFRAN-SNECMA)
Investigation of residual stresses in chromia formers (ALS/ESRF Proposals)
Mechanical properties of zirconium/zirconia system. Role of interfacial stresses (Homing-Plus Program)

Membres du groupe

  • Professeurs des Universités : BONNET Gilles, GROSSEAU-POUSSARD Jean-Luc, PEDRAZA Fernando
  • Maîtres des Conférences : BALMAIN Josseline, GIRAULT Patrick
  • Chercheurs invités/Post-docs : PROY Manuel, TSURTSUMIA Olga
  • Doctorants : BOISSONNET Germain, BOULESTEIX Claire, GREGOIRE Benjamin, LE GUEVEL Yves, RAKOTOVAO Felaniaina
publie le mardi 3 novembre 2015