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Theses Year : 2016

Properties of suspension plasma sprayed zirconia coatings using different plasma torches

Propriétés de dépôt d'oxyde de zirconium obtenus par la projection plasma de suspensions avec les torches différentes

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Abstract

In this PhD thesis several scientific issues regarding Suspension Plasma Sprayed (SPS) zirconia coatings were studied. The coatings were analyzed mainly in terms of the application as insulating top-coat of Thermal Barrier Coatings (TBC’s). These multilayer coatings are applied onto the metallic parts of e.g. gas turbines to protect them against high temperature loads caused by the hot exhaust gases. But the initial assessment of the possibility of the use of Suspension Plasma Spraying to produce electrolyte layer in Solid Oxide Fuel Cells was done also. SOFC’s seem to be the most promising fuel cell types currently. (See Chapter 1-2 with the literature review) The first important research goal was to analyze the possibility of producing coatings being various in terms of the microstructure. The main aim was to obtain coatings characterized by very porous and irregular structure (called columnar-like) but also very dense and homogeneous coatings with typical two-zones microstructure. For this purpose two zirconia powders were used: (i) fully yttria-stabilized zirconia and (ii) ytrria-ceria-stabilized zirconia. The powders had different chemical composition, particle size and morphology. These powders were used for a suspension formulation. The other variable in the spray process was suspension concentration. The suspension with a solid content in range of 2.5 and 30 wt. % were prepared and sprayed. All suspensions were home-produced. A very important concept of this work was the use of four various, commercially-available, plasma torches, namely: (i) SG-100, (ii) TriplexPro-200, (iii) Axial III and (iv) WSP-H 500. The torches were different interms of design, electric power, plasma stabilization mode and the suspension injection angle. Due to the big differences between plasma torches and SPS set-ups the spray process parameters were chosen in each case individually. The last variable in theexperiment design was the topography and roughness of substrate in order to evaluate its influence on the coatings growth-up mechanisms. The substrates were prepared prior to spraying by: (i) grit-blasting, (ii) laser-treatment and by (iii) grinding. The wideii spray experiment allowed complex analysis of SPS coatings microstructure, coatings growth-up mechanisms and the development of SPS process itself. [...]
Dans cette thèse plusieurs questions scientifiques concernant la projection plasma de suspensions (SPS) revêtements de zircone ont été étudiées. Les revêtements ont été analysées principalement en termes de l'application comme isolant top-coat des revêtements de barrière thermique (TBC). Ces revêtements multicouches sont appliqués sur les parties métalliques par exemple, Les turbines à gaz pour les protéger contre les charges thermiques élevées provoquées par les gaz d'échappement chauds. Mais l'évaluation initiale de la possibilité de l'utilisation de la projection plasma de suspensions pour produire la couche d'électrolyte en pile à combustible à oxyde solide (SOFC) a été fait aussi. SOFC semblent être les types de piles à combustible les plus prometteurs actuellement. (Voir le chapitre 1-2 de la revue de la littérature).Le premier objectif de recherche important était d'analyser la possibilité de produire des revêtements étant différents en termes de la microstructure. L'objectif principal était d'obtenir des revêtements caractérisés par une structure très poreuse et irrégulière (appelé colonnaires-like), mais aussi des revêtements très denses et homogènes avec typique, deux zones microstructure. A cet effet, les deux poudres de zircone ont été utilisées: (i) l'oxyde de zirconium entièrement stabilisé à l'yttria et (ii) de la zircone yttria-oxyde de cérium stabilisé. Les poudres ont des compositions chimiques différentes, la taille des particules et leur morphologie. Ces poudres ont été utilisées pour une formulation de suspension. L'autre variable dans le procédé de pulvérisation est la concentration de la suspension. La suspension avec une teneur en matières solides dans la gamme de 2,5 et 30 en poids % ont été préparées et projetée. Toutes les suspensions ont été produites au laboratoire. Un concept très important de ce travail est l'utilisation de quatre différents, disponibles dans le commerce, des torches à plasma, à savoir: (i) SG-100, (ii) TriplexPro-200, (iii) Axial III et (iv) WSP-H 500. Les torches étaient différentes en termes de conception, l'énergie électrique, le modede stabilisation du plasma et l'angle d'injection de suspension. En raison des grandes différences entre les torches à plasma et SPS set-ups les paramètres du procédé de pulvérisation ont été choisis dans chaque cas individuellement. La dernière variable dans la conception de l'expérience était la topographie et la rugosité du substrat afin d'évaluer son influence sur les revêtements des mécanismes de croissance-up. Les substrats ont été préparés avant la projection par: (i) le grenaillage, (ii) le traitement au laser et par (iii) le broyage. L'expérience de projection large a permis une analyse complexe de SPS revêtements microstructure, des mécanismes de croissance des revêtements et le développement de processus SPS lui-même. [...]

Keywords

SPS
SPS
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tel-01953309 , version 1 (12-12-2018)

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  • HAL Id : tel-01953309 , version 1

Cite

Pawel Sokolowski. Properties of suspension plasma sprayed zirconia coatings using different plasma torches. Materials. Université de Limoges; Uniwersytet Wrocławski, 2016. English. ⟨NNT : 2016LIMO0133⟩. ⟨tel-01953309⟩
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