Добірка наукової літератури з теми "Turbines à gaz – Effets des hautes températures"

La sélection des matériaux utilisés dans les parties chaudes des moteurs aéronautiques ou dans les centrales de production d’énergie est devenue un enjeu crucial au vu des impératifs écologiques et économiques. L’un des composants critiques de ces systèmes sont les aubes de turbine dont la tenue mécanique est assurée par la nature des substrats employés (aciers et superalliages à base nickel). Cependant, leur tenue environnementale nécessite l’application de revêtements protecteurs source d’Al capables de former de barrières d’oxyde (Al2O3) imperméables à l’attaque externe par oxydation et corrosion aux hautes températures. L’épuisement de l’Al pour former l’oxyde et par interdiffusion avec le substrat conduit inexorablement à la perte de protection. Ainsi, des structures spécifiques de revêtement telles les barrières de diffusion peuvent alors être mises en place pour augmenter la durée des vies des aubes au détriment de leurs propriétés mécaniques et de coûts élevés de fabrication et environnementaux. Durant cette étude, des nouvelles voies originales de synthèse des revêtements de diffusion d’aluminium « autorégénérants » ont été étudiées. Ces revêtements disposent d’une structure composite, avec une matrice de phases intermétallique (NixAly) renforcée par des microréservoirs constitués d’un cœur (NixAly) et d'une paroi en Al2O3 à travers laquelle l’Al du cœur peut ravitailler la matrice et maintenir une concentration globale en Al suffisamment élevée dans la matrice capable de former la couche externe protectrice d’Al2O3.Nos études démontrent que les réactions aluminothermiques entre du NiO et l’Al permettent de former un tel revêtement autorégénerant avec une barrière de diffusion à l’interface substrat/revêtement lorsque le Ni est initialement pré-oxydé à 1100°C pendant 2h. Néanmoins, aucun compromis n’a été trouvé pour former des revêtements sans NiO résiduel qui pourrait compromettre l’adhérence du revêtement au substrat. En revanche, une voie électrochimique permet d’incorporer de microparticules d’Al3Ni2 dans des électrodépots de Ni. A la suite d’un traitement d’aluminisation par barbotine, les microparticules préoxydées s’incorporent de manière homogène dans un revêtement de β-NiAl. Après traitement d’oxydation isotherme à 1000°C durant 48h, ce revêtement par voie électrodéposition + aluminisation présente une teneur en aluminium supérieure à 40 at%, ce qui est supérieur à un revêtement de diffusion absent de microréservoirs démontrant ainsi le caractère autorégénerant des nouveaux revêtements
The selection of materials used in the hot parts of aeronautical turbines or in power plants has become a crucial issue in view of ecological and economic imperative. Turbine blades are amongst the most critical components. Their mechanical resistance is ensured by the substrate itself (steels and Ni alloys and superalloys). However, their low environmental resistance requires the application of protective coatings delivering Al to form oxide barriers blocking the external oxidative and corrosive attack. Upon exposure at high temperatures, Al depletes from the coating by oxidation to grow the oxide scale and by interdiffusion with the substrate’s elements resulting in the loss of protection. Some specific coating structures like the diffusion barriers have been investigated in the past but the overall mechanical properties are lowered and the fabrication and environmental costs are high. Therefore, a pioneering and original investigation has been conducted to synthesize “self-regenerating” aluminum diffusion coatings. These coatings are characterized by a composite structure whereby the matrix made of NixAly intermetallic phases is strengthened with microreservoirs made of NixAly core and an Al2O3 shell through which Al diffuses out to maintain the adequate Al concentration in the matrix, hence to stabilize the external protective Al2O3 scale.Our studies demonstrate that the aluminothermic reactions between NiO and Al lead to the formation of such a self-regenerating coating with an interdiffusion barrier at the coating/substrate interface whenever Ni is preoxidized at 1100°C for 2h beforehand. However, all the coatings sintered through this method possess residual NiO, which may compromise their adherence to the substrate. In contrast, the use of electrochemical methods allows to incorporate Al3Ni2 microparticles in the NI electrodeposits. With a subsequent slurry aluminizing treatment, the preoxidized particles incorporate homogeneously in a β-NiAl coating matrix. After exposure at 1100°C for 48h in air, the Al content in the self-regenerating coatings is greater than 40 at% as opposed to the micro-reservoirs-free aluminide coating allowing to demonstrate the self-regenerating property of these new coatings

L'objectif de ce travail etait de synthetiser des catalyseurs actifs pour la reaction de combustion du methane, qui se realise dans le dernier etage de travail des turbines a gaz ou la temperature atteint des valeurs comprises entre 1200c et 1400c. En plus d'une activite intrinseque en oxydation, ces catalyseurs doivent conserver leur activite meme apres un traitement a haute temperature. Ces catalyseurs sont constitues par une matrice hexaaluminate de baryum (baal#1#2o#1#9), oxyde mixte thermostable, dans laquelle un ou plusieurs ions aluminium sont substitues par des ions actifs (ions des metaux nobles et ions des metaux de transition). La composition des catalyseurs sera bam#xal#1#2#-#xo#1#9 avec m egal a mn, cu, pd, ir et rh et x compris entre 0,5 et 4. Dans le cas de l'incorporation des metaux nobles, des problemes ont ete rencontres avec le palladium et l'iridium: a cause de la faible stabilite thermique des oxydes correspondants, ces metaux n'ont pu etre introduits dans la structure hexaaluminate. Par contre, un faible pourcentage du rhodium a pu etre incorpore dans la maille hexaaluminate, et le reste se trouvant occlus dans l'aluminate de baryum, phase intermediaire dans la formation de l'hexaaluminate de baryum. En revanche, l'incorporation des ions des metaux de transition donne des resultats plus encourageants. L'introduction d'un ion manganese et d'un ion cuivre dans la maille hexaaluminate conduit a des catalyseurs dont les activites a l'etat frais et a l'etat vieilli sont comparables. La substitution de plusieurs ions aluminium par le cuivre n'est pas possible, sans doute a cause des differences de charges entre les ions al#3#+ substitues et les ions cu#2#+ substituants. L'introduction progressive de plusieurs ions manganese dans la maille hexaaluminate (bamn#xal#1#2#-#xo#1#9, x compris entre 0,97 et 4) permet l'obtention de catalyseurs plus performants pour la reaction de combustion du methane et stables dans les conditions de travail des turbines a gaz. Le solide bamn#2#,#7al#1#1o#1#9 est le catalyseur le plus actif dans la reaction d'oxydation et son application dans les turbines a gaz serait envisageable

Ce travail s'est place dans un cadre general d'evaluation de systemes barriere thermique et de procedes d'elaboration representatifs de la technologie actuelle. Dans une premiere partie, l'influence des caracteristiques de poudres commerciales de zro#2 8% y#2o#3 (% massique) sur les proprietes des depots plasma correspondants a ete etudiee. Quatre conditions necessaires pour une bonne tenue thermomecanique des depots plasma zro#2 8% y#2o#3 ont ete definies: i) une poudre de haute purete (avec en particulier % mgo < 0,05% et % sio#2 < 0,1%) ; ii) une poudre reguliere du point de vue morphologique et granulometrique ; iii) un depot a structure lamellaire fine et microfissuree ; iv) un taux important de phase t' present dans le depot (> 90% environ). Dans un second temps, plusieurs sous-couches mcraly (plasma air, plasma sous vide et codeposition electrolytique) ont ete caracterisees et evaluees en cyclage thermique dans des systemes barriere thermique plasma. Les effets de la rugosite, de l'epaisseur, des proprietes mecaniques et du comportement en oxydation des sous-couches sur la duree de vie en cyclage thermique des barrieres thermiques ont ete mis en evidence et discutes. Enfin, les procedes d'elaboration de depots zro#2 8% y#2o#3 tels que l'ebpvd et la projection plasma induction ont ete etudies. Le mode de degradation des systemes ebpvd par rupture interfaciale alumine/sous-couche ou alumine/zircone ebpvd a ete confirme. Par contre, le comportement decevant en cyclage thermique des systemes ebpvd par rapport aux systemes plasma a ete discute. La comparaison d'un depot zro#2 8% y#2o#3 elabore par projection plasma induction par rapport a ses homologues plasma arc, a permis de montrer une amelioration significative des proprietes thermiques et du rendement de projection pour une tenue thermomecanique equivalente

Compte tenu de l’évolution des températures d’entrée de turbines, le principal enjeu pour les métallurgistes est d’élaborer des alliages capables de présenter d’excellentes propriétés mécaniques à des températures de plus en plus élevées. Dans ce contexte, connaitre les relations entre les différents paramètres microstructuraux et les propriétés mécaniques à haute température (700°C et plus) est capital.La durabilité en fluage et en fatigue-temps de maintien ainsi que les processus d’endommagement de l’alliage AD730™, un nouveau superalliage pour disques de turbines, ont été analysés. Plusieurs paramètres ont été étudiés, qu’ils soient microstructuraux (joints de grains, taille de grains, taille et distribution des précités γ′), ou expérimentaux (température, environnement, contrainte appliquée, temps de maintien). L’utilisation de monograins de composition chimique identique à l’alliage de l’étude a permis de mettre en évidence le fait qu’une microstructure monogranulaire ne présente pas nécessairement de meilleures propriétés en fluage qu’une microstructure polycristalline. Ceci est attribué au rôle durcissant des joints de grains. Il a de plus été montré qu’à 700°C, la taille et la distribution des précipités γ′ est le paramètre microstructural pilotant les propriétés viscoplastiques à l’ordre 1.En fatigue avec temps de maintien, un comportement original a été observé pour les longs temps de maintien en fonction de la contrainte appliquée. Ce phénomène est attribué à un effet « type Bauschinger » apparaissant lors des phases de décharges
In view of the turbine entry temperature evolution, the main challenge for metallurgists is to elaborate new alloys able to withstand higher temperatures while keeping great mechanical properties. Therefore, knowing the relationships between microstructural parameters and mechanical properties at high temperatures (700°C and more) is mandatory.The creep and dwell-fatigue durability as well as the damage mechanisms of AD730™, a new nickel base superalloy developed for turbine disks, have been analyzed. Several microstructural parameters were studied (grain boundaries, grain size, size and distribution of γ′ precipitates) as well as experimental parameters (temperature, environment, applied stress or dwell period). By using single crystalline specimens having the same chemical composition of the studied alloy, it has been shown unambiguously that single crystalline microstructures do not necessarily present better creep properties compared to polycristalline ones. This result is supposed to be caused by a grain boundary strengthening mechanism. Moreover, in creep at 700°C, it has been shown that the main viscoplasticity controlling parameters are the size and distribution of γ′ precipitates.An unexpected dwell-fatigue behavior has been observed for long hold times and in a specific applied stress window. This phenomena is attributed to a “Bauschinger type” effect, occurring during unloading phases

L’Electrolyse de la vapeur d’eau à Haute Température (EHT) est un procédé prometteur pour la production d’hydrogène, vecteur énergétique d’avenir. La production massive d’hydrogène par EHT reste difficile compte tenu de la dégradation prématurée des performances de cellule à oxyde solide (SOC) liée aux conditions expérimentales sévères (température de fonctionnement (700-1000°C), atmosphère oxydante, densité de courant élevée). Dans ces conditions, la dégradation de SOC est due à la réactivité de ses constituants, l’évolution de la microstructure des couches et aux contraintes internes accentuées par les gradients de température et de composition gazeuse. Ce travail a été consacré à l’étude de l’influence de l’environnement gazeux sur les performances électrochimiques de SOC en mode EHT et au développement d’une méthode d’apport en gaz plus homogène afin d’uniformiser le fonctionnement de SOC et ainsi de diminuer les contraintes internes. Pour cela, des SOC commerciales à électrolyte support de type Ni/CGO – 3YSZ – LSM/YSZ ont été utilisée. Dans un premier temps, le comportement électrochimique des SOC avec un montage expérimental classique a été étudié in situ par chronopotentiométrie et par spectroscopie d’impédance en fonction des conditions expérimentales (rapport H2O/H2, taux de conversion, débit gazeux). Dans un second temps, des montages spécifiques ont été développés afin de faire varier l’homogénéité de l’apport de la phase gazeuse coté hydrogène. L’influence de la variation de la méthode d’apport en gaz sur le comportement électrochimique initial de la SOC puis sur sa tenue au vieillissement a été étudiée
High Temperature Steam Electrolysis (HTSE) is a promising technology for hydrogen production, leading candidate as future fuel. However, massive hydrogen production remains difficult considering the fast performance degradation of solid oxide electrolyser cells (SOEC) mainly due to extreme experimental conditions (high working temperature (700-1000°C), oxidising atmosphere, high current density). In these conditions, degradation is due to reactivity between SOEC components, evolution of their microstructure and internal stresses emphasized by temperature and gas composition gradients. This work is dedicated to the study of the influence of the gaseous environment on electrochemical performance on SOEC in HTSE mode and to the development of a homogeneous method for gas distribution over the SOEC surface to enable a more uniform cells operation and limit internal stresses. Commercial electrolyte supported cells are studied (Ni/CGO–3YSZ–LSM/YSZ). First to start with, the SOEC electrochemical behaviour is studied with a traditional experimental set-up. Electrochemical characterisations are carried out in situ through chronopotentiometry and impedance spectroscopy. Secondly, new specific experimental sets-up were developed in order to vary the homogeneity of the gas distribution over the hydrogen electrode. To finish with, the influence of the gas distribution method has been studied on the initial electrochemical behaviour and then on the SOEC durability

L'endommagement prématuré par corrosion sous contrainte des alliages de titane des compresseurs de turbines aéronautiques peut fixer leurs limites d'utilisation thermomécaniques. A l'aide d'un banc d'essai spécifique, le domaine de sureté de fonctionnement thermomécanique, en ambiance saline, a été établi. L'adaptation d'un modèle de comportement et l'étude des mécanismes physico-chimiques conduisent à privilégier un endommagement par fragilisation par l'hydrogène. L'analyse du mode de fragilisation nous permet par la suite de proposer des traitements superficiels adaptés pour repousser les limites possibles d'emploi de ce matériau.

Les moteurs Diesels connaissent un intérêt récent tout particulier car ils rejettent moins de CO2 que les moteurs essences à puissance égale, du fait qu’ils travaillent en mélange pauvre (en excès d’oxygène). Récemment, des catalyseurs de réduction catalytique sélective (SCR) déposés sur des filtres à particules diesel (FAP) ont été développés pour les applications automobiles en raison de leur capacité à réduire simultanément les émissions de NOx et de particules. Une telle mise en œuvre nécessite une résistance thermique améliorée du catalyseur SCR du fait des exothermes liés à la régénération périodique du FAP. Le but de ce travail est de proposer un catalyseur pour la réduction des NOx par NH3 actif après vieillissement à haute température. La première partie de ce manuscrit détaille les modifications du catalyseur CeV0.95W0.05O4 en ajoutant des éléments de terres rares (Pr3+, Gd3+, Tb3+, Er3+). Le catalyseur le plus prometteur obtenu par la substitution partielle du cérium par des terres rares était finalement le catalyseur Ce0.5Er0.5V0.95W0.05O4. Une substitution partielle du cérium par de l’erbium permet d’obtenir un gain d’activité après vieillissement à 600 et 850°C attribué à la capacité de l'erbium à favoriser la stabilité thermique des catalyseurs contenant du vanadium. Ce comportement pourrait également être corrélé aux caractéristiques de la liaison Er3+_O_V5+ et à leur capacité à modifier les caractéristiques de la liaison V_O et les propriétés acide/base de surface. Le catalyseur Ce0.5Er0.5V0.95W0.05O4, la formulation optimisée, permet d’obtenir une conversion de NOx supérieure à 80% entre 250 et 400°C en condition Fast-SCR après un vieillissement à 850°C
Diesel engines have been extensively implemented because they emit lesser CO2 than gasoline engine of equivalent power, since they work in lean condition, i.e. in excess of oxygen. Recently, Selective Catalytic Reduction (SCR) catalysts coated on Diesel Particulate Filters (DPF) have been introduced for automotive applications due to capability of reducing NOx and PM simultaneously. However, such implementation requires improved thermal resistance of the SCR catalyst due to the exotherms related to the periodic regeneration of DPF. The point of this manuscript is to propose a catalyst active in NOx reduction by NH3 after aging at high temperature. The first part of this manuscript details the modifications of CeV0.95W0.05O4 catalyst by adding of rare earths elements (Pr3+, Gd3+, Tb3+, and Er3+). The most promising catalyst obtained by the partial substitution of cerium by rare earths was finally Ce0.5Er0.5V0.95W0.05O4 catalyst. A partial substitution of the cerium by the erbium allows obtaining an increase of the activity after an aging at 600°C and 850°C attributed to the ability of erbium to promote thermal stability of the vanadium-containing catalysts. This behaviour might be also correlated with the characteristics of Er3+_O_V5+ bond and to their ability to alter the characteristics of the V_O bond and the acid/base surface properties. Ce0.5Er0.5V0.95W0.05O4 catalyst, an optimized formulation, is able to get a NOx conversion superior to 80% between 250 and 400°C in Fast-SCR condition after an aging at 850°C

Le mémoire présenté s’articule autour de sept chapitres. Les premier et deuxième chapitres, qui constituent la synthèse bibliographique, présentent d’abord quelques généralités sur les fontes et leur procédé d’élaboration, ainsi que sur l’action et la ségrégation des principaux éléments d’alliage (chapitre I) ; le deuxième chapitre présente des généralités sur l’oxydation des métaux à haute température, l’oxydation du fer, des alliages Fe-Si, et des fontes ; puis plus spécifiquement sur la corrosion haute température dans les milieux soufrés et du l’effet de la vapeur d’eau. Ce chapitre se termine par des éléments bibliographiques. Le chapitre suivant (chapitre III) est consacré à la description expérimentale des essais et des techniques de caractérisation, ainsi qu’à un bref descriptif de l’outil de calcul thermochimique ThermoCalc. Dans le quatrième chapitre, une étude microstructurale des fontes étudiées est présentée. Elle est basée sur des observations microstructurales et des analyses élémentaires effectuées après différentes attaques chimiques, complétées par des calculs thermodynamiques. Dans les cinquième et sixième chapitres sont présentés les résultats expérimentaux et les discussions concernant respectivement les essais de corrosion sur les fontes SiMo et les essais sur la fonte Ni-Resist. La dernière partie de ce manuscrit constitue une synthèse globale de ce travail sous forme de conclusion générale et de perspectives.

Le fonctionnement des batteries lithium-ion, qu’il soit normal ou dans des conditions abusives, est accompagné d’une génération de gaz en particulier lors des premiers cycles. Celle-ci est intrinsèque au dispositif et est soumise à de nombreux paramètres tels que les matériaux d’électrodes utilisés, l’électrolyte ou encore les conditions opératoires. Cette génération de gaz est délétère : elle conduit à l’augmentation de la pression interne des batteries et pose donc des problèmes de sécurité. Cette étude vise à quantifier les volumes de gaz générés et à comprendre les mécanismes liés à la surpression dans les batteries. A cet effet, le format de batterie « pouch cell » a été adopté tout au long de ce travail de thèse. L’électrolyte choisi est le mélange EC:PC:3DMC + 1 mol.L-1 LiPF6. La première partie de ce travail est dédiée à la mise au point d’un protocole expérimental basé sur (i) l’analyse des matériaux d’électrodes (NMC, LFP, Gr, et LTO), (ii) la solubilité de gaz (O2, H2) comparées à (CO2, CH4) par PVT, et (iii) la quantification des volumes de gaz générés durant le cyclage en pouch cell, corrélée aux performances électrochimiques. Une analyse préalable en demi-piles et en dispositifs complets Gr//NMC et LTO//LFP a également été réalisée afin d’anticiper les performances attendues en pouch cells. Une analyse critique des données (de la littérature et de nos mesures) a permis de définir une procédure optimisée pour obtenir des résultats reproductibles et comparables lors des mesures de volume en pouch cells. La seconde partie de cette thèse consiste en la quantification du volume de gaz produit au cours du cyclage des pouch cells Gr//NMC, Gr//LFP, LTO//LFP et LTO//NMC. Ainsi, les tensions de fin de charge, l’effet du sel et de la température ont été discutés pour dégager les paramètres déterminants dans la génération de gaz en particulier lors de la formation de la SEI. Enfin, une analyse de la composition du gaz récupéré a été effectué par GC-MS et FTIR. A partir de résultats obtenus, des mécanismes ont été proposés et discutés
The functioning of lithium-ion batteries, may it be under normal use or under abusive conditions, is accompanied by gas generation, especially during the first cycles. This extent of gas generation is dependent on the choice of electrode materials, the electrolyte, and the operating conditions. This gas generation is detrimental: the build-up of pressure leads to the over-pressure in the battery, raising serious concerns. This study is aimed at understanding the fundamental mechanisms governing these reactions. To do so, the « pouch cell » configuration was adopted throughout this thesis. The electrolyte we worked on is the mixture EC:PC:3DMC + 1 mol.L-1 LiPF6. The first chapter of this work is dedicated to development of an experimental protocol based on (i) the analysis of the electrodes materials (NMC, LFP, Gr and LTO), (ii) the gas solubilities (O2, H2) compared to (CO2, CH4) by PVT method, and (iii) the quantification of the volume of generated gases during the cycling of pouch cells which was correlated to the electrochemical performances. A preliminary analysis of half-cells and full cells Gr//NMC and LTO//LFP were also conducted to foresee the performances of the pouch cells. A critical analysis of data taken from the literature and from our own experiments enabled the optimization of a proper procedure to get reproducible and comparable results. The second part of this thesis consists in the quantification of the volume of gases generated during the cycling of Gr//NMC, Gr//LFP, LTO//LFP and LTO//NMC pouch cells. In that respect, the voltages of the end of charge and the effect of salt and of temperature were discussed to figure out the essential parameters in the gas generation and in particular during the formation of SEI. Lastly, a compositional analysis of gases was performed using GC-MS and FTIR. Based on those results, a mechanism is proposed and discussed herein