Two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) analyses of plasma-sprayed alumina microstructures for finite element simulation of their mechanical and electrical properties
Simulations 2D et 3D de microstructure d'alumine projetée plasma pour l'étude de ses propriétés mécaniques et électriques
Résumé
Alumina coating can ensure electrical insulation in a mechanical assembly. It is used in geologic probes which measure borehole resistivity. The oil context encourages companies such as Schlumberger to develop advanced coatings among which some are made of alumina. They are achieved by the plasma spraying which, however, generates interconnected pores and cracks in the microstructure. The resulting network, which characterizes the ceramic porosity, impairs coating properties. This thesis is based on the study of a range of plasma-sprayed alumina coating. Alumina coating microstructure can therefore be considered as exhibiting two phases: the ceramic matrix and the porosity. First, a classical two-dimensional (2D) analysis using SEM was compared with a three-dimensional (3D) analysis using microtomography to determine the type, the orientation and the distribution of the phases: -the 2D analysis of the coating microstructure was suitable for discriminating materials depending on their processing method. Different microstructures with various surface densities of pores and cracks were studied. Co-spraying led to coatings with an alumina-glass matrix. A post-treatment by excimer laser could generate materials with various surface properties. Lastly, impregnation techniques led to alumina microstructure with porosity filled with resin or aluminium phosphates. -the analysis by synchrotron microtomography was shown to be powerful only to characterize the pores in the coating. The study showed their orientation parallel to the spraying direction and their morphology. In addition, this technique could show changes of morphology and distribution of pores in a matrix of alumina-glass after thermal or laser treatment. All these results were used to simulate mechanical and electric properties as a function of microstructure characteristics. Impedance measurements in a liquid environment could characterize the interconnected porosity through an equivalent electric circuit. This showed to be an experimental method to exhibit connections in the microstructure, which allowed to compare the different materials. In a final stage, from 2D and 3D images, finite element simulation of the real microstructures resulted in the calculation of the Young's modulus and electrical permittivity of the coating. These simulations (i.e. both experimental and numerical) allowed to establish links between microstructure and properties of the coating.
L'alumine est un matériau réputé pour ses propriétés d'isolation électrique. Elle est utilisée dans les sondes géologiques qui mesurent la résistivité des roches. Le contexte pétrolier incite les sociétés telles que Schlumberger à développer de nouvelles générations de revêtement dont certains en alumine. Ils sont obtenus par le procédé de projection plasma qui génère dans la structure des fissures et des pores interconnectés. Ce réseau caractérise la porosité de la céramique et dégrade plus ou moins les propriétés des revêtements. Ce travail de thèse propose l'étude d'une gamme de revêtements d'alumine réalisés par projection plasma. Il définit le revêtement d'alumine comme un composite présentant deux phases : la matrice céramique et la porosité. Tout d'abord, une analyse bidimensionnelle classique (employant la microscopie électronique à balayage) a été comparée à une analyse tridimensionnelle (employant la microtomographie) pour déterminer la nature, l'orientation et la répartition des phases : -l'analyse 2D de la microstructure des dépôts a permis de différencier les matériaux en fonction de leur méthode d'élaboration. Nous avons élaboré des composites « alumine-défauts » avec différentes densités surfaciques de pores et de fissures. Pour la co-projection, des composites présentant une matrice d'alumineverre ont été élaborés. Un post-traitement par laser à excimère a généré des matériaux possédant des propriétés de surface différentes. Enfin, les techniques d'imprégnation ont produit des composites présentant une matrice d'alumine, une porosité remplie de résine ou de phosphate d'aluminium et une porosité non remplie. -l'analyse par microtomographie synchrotron a permis uniquement de caractériser les pores dans les composites. L'étude a montré leur orientation parallèle à la direction de projection et leur morphologie plutôt filaire dans les revêtements d'alumine. De plus, cette technique a mis en évidence les changements de morphologie et de répartition des pores dans une matrice d'alumine-verre ayant subi des traitements thermiques ou bien dans les surfaces traitées par laser. Toutes ces informations complémentaires ont permis de mettre en place une simulation des propriétés mécaniques et électriques fonction des caractéristiques microstructurales. Les mesures d'impédance en milieu liquide ont défini les microstructures composites par des schémas électriques équivalents. Cette mesure s'est révélée être une méthode expérimentale propre à définir les connexions de la porosité. Elle a permis de comparer les composites. Enfin, à partir des images 2D et 3D, une simulation numérique par éléments finis de microstructures réelles a permis de calculer les propriétés élastiques et diélectriques des composites. Ces simulations ont permis d'établir le lien entre microstructures et propriétés des dépôts. Elles semblent très prometteuses pour établir les conditions d'élaboration des revêtements en fonction des propriétés souhaitées.
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