Résumé graphique. Crédit :DOI :10.1016/j.actamat.2021.117167
Les voyages de vacances post-pandémiques ont été parmi les plus grandes histoires de l'été 2021, soulevant des questions sur la contribution du transport aérien aux émissions de gaz à effet de serre et au changement climatique. Selon l'Institut d'études environnementales et énergétiques, 710 millions de tonnes de dioxyde de carbone dans le monde provenaient de l'aviation commerciale en 2013. En 2017, ce nombre a atteint 860 millions de tonnes, une augmentation de 21 % en quatre ans. D'ici 2018, il a grimpé à 905 millions de tonnes, 2,4 % du CO total
Les constructeurs d'avions et leurs clients gouvernementaux et industriels ont investi dans la conception de nouveaux moteurs d'avion qui fonctionnent à des températures extrêmement élevées, ce qui signifie que les moteurs peuvent générer plus d'énergie tout en brûlant moins de carburant. Cependant, les températures très élevées peuvent être un problème pour les matériaux utilisés pour fabriquer le moteur.
Haydn Wadley, Edgar Starke Professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'École d'ingénierie et de sciences appliquées de l'Université de Virginie, et Jeroen Deijkers, un associé de recherche postdoctoral dans le groupe de Wadley, trouvé un moyen de prolonger considérablement la durée de vie des matériaux utilisés dans ces moteurs à réaction. Leur papier, "Une approche de couche de liaison duplex pour les systèmes de revêtement de barrière environnementale, " est publié dans le numéro de septembre 2021 d'Acta Materialia.
"Un moteur à réaction avale d'énormes quantités d'air, lequel, lorsqu'ils sont comprimés et mélangés à des hydrocarbures et brûlés dans une chambre de combustion, alimente le système de propulsion de l'avion. Plus la chambre de combustion est chaude, plus le moteur est efficace, " a déclaré Wadley.
La combustion dans les moteurs d'avion atteint ou dépasse maintenant 1500 degrés centigrades, bien au-dessus des températures de fusion des pièces de moteur généralement en alliages de nickel et de cobalt. La recherche s'est tournée vers des céramiques capables de résister à ces températures, mais ils doivent faire face aux réactions chimiques de la vapeur d'eau et de l'oxygène non brûlé dans l'environnement de combustion extrême.
Le carbure de silicium est la céramique de choix. Cependant, les pièces de moteur en carbure de silicium ne dureraient que quelques milliers d'heures de vol. A des températures aussi élevées, l'élément carbone réagit avec l'oxygène pour former du monoxyde de carbone (un gaz), tandis que le silicium forme de la silice (un solide), mais la silice réagit avec la vapeur d'eau pour former un hydroxyde de silicium gazeux. En d'autres termes, la partie moteur se transforme progressivement en gaz et disparaît par le tuyau d'échappement.
Pour protéger les pièces en céramique, les motoristes appliquent un revêtement bicouche, appelé un système de revêtement de barrière environnementale, au carbure de silicium. La couche externe est conçue pour ralentir la propagation de l'oxygène et de la vapeur d'eau vers le carbure de silicium pendant le vol, tandis qu'une couche de liaison interne en silicium protège la surface du carbure de silicium en réagissant avec l'oxygène pour former une fine couche de silice. Mais il y a encore des défis à cette conception.
"La durée de vie du composant du moteur est souvent dictée par le temps qu'il faut pour que l'épaisseur de la couche de silice atteigne un point critique où la contrainte causée par l'expansion et la contraction pendant le chauffage et le refroidissement répétés fait éclater le revêtement, " a déclaré Wadley.
Les scientifiques et les ingénieurs ont deux stratégies de base pour retarder la séparation du revêtement et prolonger la durée de vie des composants coûteux du moteur. Ils peuvent rendre la couche de revêtement externe très épaisse pour ralentir l'arrivée d'oxygène au niveau de la couche de liaison, mais cela ajoute du poids et du coût. Ou, ils peuvent créer un autre type d'oxyde protecteur, celui qui ne "se détache pas".
Deijkers et Wadley ont poursuivi la deuxième stratégie.
Leur solution utilise une couche externe de disilicate d'ytterbium, un élément des terres rares qui partage les caractéristiques de dilatation thermique du silicium et du carbure de silicium et est lent à transporter l'oxygène et la vapeur d'eau vers la couche de silicium. Ils ont d'abord déposé la couche de liaison en silicium, puis placé une fine couche d'oxyde d'hafnium entre le silicium et la couche externe de disilicate d'ytterbium.
Leurs études expérimentales montrent qu'à mesure que la silice se forme sur le silicium, il réagit immédiatement avec l'hafnia pour former un oxyde de silicium-hafnium, ou hafnon. La dilatation et la contraction thermiques du hafnon sont les mêmes que celles du reste du revêtement et ne feront jamais éclater ou fissurer le revêtement. Wadley appelle cela en ajoutant un peu de "poussière de fée hafnia".
"Quand on dépose une très fine couche d'hafnia sur du silicium, suivi d'une couche de disilicate d'ytterbium, l'oxygène qui traverse le disilicate d'ytterbium crée une réaction chimique avec les matériaux sous-jacents pour former le hafnon, " a déclaré Deijkers.
L'accès de Deijkers à un équipement unique dans le laboratoire de Wadley, spécifiquement un système de dépôt en phase vapeur dirigé, a permis cette percée dans les revêtements barrières environnementales. La capacité de déposer un film de disilicate d'ytterbium plus fin que le diamètre d'un cheveu humain est la clé de leur succès.
Le processus de dépôt en phase vapeur dirigé utilise un puissant faisceau d'électrons focalisé de 10 kilowatts pour faire fondre le matériau dans une chambre à basse pression. Un jet de gaz supersonique transporte la vapeur jusqu'au carbure de silicium recouvert de silicium où elle se condense, créer un film mince. Ils utilisent ensuite une méthode de pulvérisation plasma pour déposer la couche finale de disilicate d'ytterbium, et le composant revêtu est alors prêt à être testé.
Deijkers a soutenu avec succès sa thèse en octobre 2020, combinant ses intérêts dans les avions et les matériaux à haute température pour son doctorat. recherche, et en suivant le chemin de son père dans la science et l'ingénierie des matériaux.
"Mon père travaillait sur des navires de dragage. En voyant la station de pompage briller d'un blanc orangé dans la fournaise, c'est comme ça que j'ai attrapé le bug de l'ingénierie, " a déclaré Deijkers.
Deijkers, qui vient des Pays-Bas, combiné ces premiers souvenirs avec son intérêt à servir dans l'armée de l'air néerlandaise, obtenir un baccalauréat et une maîtrise en génie aérospatial de l'Université de technologie de Delft.
Lorsque Deijkers a commencé à postuler pour un doctorat. programmes aux États-Unis, sa thèse de maîtrise sur les revêtements de barrière thermique a retenu l'attention de Wadley. L'arrivée de Deijkers tombait à point nommé. Membre du groupe Brad Richards, qui a obtenu son doctorat. en science et ingénierie des matériaux de l'UVA en 2015, avait développé le système de revêtement de disilicate de silicium-ytterbium pour la céramique qui s'est par la suite avéré très similaire à celui utilisé par les fabricants de moteurs d'avion.
La thèse de Deijkers améliore le système de revêtement de Richards, approfondissant la compréhension de la chimie de surface impliquée et augmentant la viabilité du système de revêtement pour une adoption commerciale.
"Une série de questions à l'origine de mes recherches s'est concentrée sur le temps qu'il faut au hafnon pour se former à travers le processus d'oxydation, " a déclaré Deijkers. "Je voulais comprendre comment ce processus fonctionne vraiment, et si nous pouvions réellement l'utiliser.
"Ce revêtement a un potentiel plus important que nous ne le pensions; nous devons le développer et le mettre dans un moteur réel, pour l'amener plus loin sur la voie de la commercialisation. »
Les méthodes d'aujourd'hui sont enracinées dans les techniques de dépôt développées dans les années 1970.
"Par rapport à l'état de l'art dans l'industrie, notre recherche apporte une amélioration majeure, " a déclaré Deijkers. "Mon estimation approximative, si les industriels pouvaient mettre en œuvre ces nouvelles techniques de transformation, ils pourraient prolonger la durée de vie des pièces du moteur jusqu'à 200 fois. Mais il y a beaucoup d'obstacles à franchir pour obtenir ce niveau de performance."
Le groupe de recherche de Wadley a réalisé ces avancées avec le soutien de l'Office of Naval Research, qui a attribué à l'équipe de Wadley deux bourses successives sur une période de six ans.
« Les problèmes que nous devons résoudre sont multidisciplinaires et multi-institutionnels, " a déclaré Wadley. "Nous devons fusionner les connaissances de la mécanique, la chimie et la science des matériaux pour progresser. Au-delà du besoin immédiat de réduire le CO
Considérant que Deijkers espère attirer l'industrie privée vers le système de revêtement et le processus de dépôt de l'équipe, son ambition de carrière est de poursuivre des découvertes scientifiques dans un laboratoire national ou dans le milieu universitaire.
"La nation a un besoin urgent de talent dans ce domaine, " a déclaré Wadley. " Nous avons désespérément besoin de des personnes créatives qui veulent être formées pour résoudre ce genre de problèmes pour la société à l'avenir."
Tout comme Deijkers poursuivait les recherches de Richards, il encourage les étudiants de premier cycle en génie de l'UVA à participer à la recherche interdisciplinaire en cours dans le groupe de Wadley.
« Nous avions des étudiants de premier cycle en génie aérospatial, la physique, ingénierie des systèmes, " a déclaré Deijkers. " Nous travaillons sur de nombreux aspects différents du problème :la modélisation informatique, synthèse de matériaux, conception thermomécanique de la durée de vie. Nous avons toujours des choses à faire pour les étudiants de premier cycle, et nous sommes toujours ouverts à ce qu'ils fassent des recherches avec nous."
