Certaines sections de moteurs aéronautiques à turbine à gaz, qui sont largement utilisés dans les avions, atteindre régulièrement des températures supérieures à 1, 200°C. Il va sans dire, tous les matériaux utilisés dans des environnements aussi difficiles doivent être durables et à la hauteur de la tâche. Les composites à matrice céramique en carbure de silicium (SiC) ont récemment suscité l'intérêt en tant que candidats prometteurs pour les moteurs à turbine à gaz. Cependant, ces matériaux nécessitent une couche de revêtement résistant à la chaleur pour empêcher l'oxydation du SiC et l'évaporation ultérieure du SiO 2 , qui est un processus qui conduit à une diminution du volume de matière et, donc, défauts structurels tels que de grandes fissures ou l'écaillage de la couche supérieure.

Malheureusement, les couches de revêtement existantes ne peuvent pas complètement empêcher cette oxydation en SiO 2 car l'oxygène peut s'infiltrer à travers des fissures microscopiques dans ces couches ou par simple diffusion.

Pour régler ce problème, certains scientifiques se sont concentrés sur l'utilisation du siliciure d'ytterbium (Yb-Si) comme matériau de revêtement car l'Yb-Si peut atteindre des points de fusion élevés et leurs oxydes sont principalement des Yb-silicates, qui restent attachés comme une couche d'oxyde et ne s'évaporent pas facilement. Cependant, on ne sait pas grand-chose sur les phénomènes fondamentaux qui se produisent dans ces matériaux à haute température dans des environnements d'air ou de vapeur d'eau.

Dans une étude récente publiée dans Intermétalliques , une équipe de scientifiques, dont le professeur agrégé junior Ryo Inoue, Professeur adjoint Yutaro Arai et professeur Yasuo Kogo de l'Université des sciences de Tokyo, et le chercheur principal Takuya Aoki de l'Agence japonaise d'exploration aérospatiale (JAXA) - ont entrepris de comprendre les mécanismes d'oxydation de l'Yb-Si. Ils ont mené une variété d'expériences pour mieux comprendre le comportement d'oxydation (et la dégradation) de différents revêtements Yb-Si à haute température sous trois types d'atmosphères :air, vapeur d'eau, et un mélange des deux.

Grâce à l'analyse par diffraction des rayons X, spectroscopie à dispersion d'énergie, et microscopie électronique à balayage, les scientifiques ont pu visualiser et quantifier avec précision la morphologie et la composition des échantillons d'Yb-Si avant et après les tests d'exposition à la chaleur. L'une des principales découvertes était que le rapport Yb sur Si était un acteur majeur dans la définition du comportement d'oxydation du matériau; Yb 5 Si3 oxydé plus que Yb 3 Si 5 en raison de l'oxydation préférentielle de Yb dans le siliciure. De plus, la quantité d'oxyde diminuait considérablement dans les atmosphères plus riches en vapeur d'eau.

Plus important encore, les chercheurs ont exploré les mécanismes par lesquels la teneur en ytterbium peut affecter la formation de SiO 2 . "Après exposition à la chaleur des deux siliciures dans la vapeur, nous avons trouvé SiO 2 en Yb 5 Si 3 , alors que Si était en fait toujours présent dans Yb 3 Si 5 , " remarque le Dr Inoue, qui a dirigé l'étude. "Nos analyses indiquent que SiO 2 la croissance est supprimée dans Yb 3 Si 5 parce que SiO 2 participe, et est le facteur limitant de, réactions qui forment les Yb-silicates, " ajoute-t-il. Bien que les réactions intermédiaires exactes qui conduisent à la formation des divers Yb-silicates ne soient pas encore complètement comprises, l'équipe a présenté deux voies de réaction hautement possibles. Cela sera probablement clarifié par des études futures avec des techniques de caractérisation encore plus détaillées.

Globalement, cette étude donne un aperçu significatif de ce qui se passe lors de l'oxydation de Yb-Si, qui aidera au développement de revêtements protecteurs pour les moteurs à turbine à gaz d'avion. « Si un revêtement capable de résister à des environnements plus difficiles peut être réalisé, les pièces du moteur deviendront plus résistantes à la chaleur, ce qui conduit naturellement à un meilleur rendement du moteur, " remarque le Dr Inoue.

Avec un peu de chance, de nouveaux progrès dans la technologie de revêtement réduiront les coûts de transport aérien et la consommation de carburant, rendre le vol moins cher et moins nocif pour l'environnement.