EP3899091A1 - Pièce de turbine résistante au sable fondu - Google Patents

Pièce de turbine résistante au sable fondu

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EP3899091A1
EP3899091A1 EP19850765.9A EP19850765A EP3899091A1 EP 3899091 A1 EP3899091 A1 EP 3899091A1 EP 19850765 A EP19850765 A EP 19850765A EP 3899091 A1 EP3899091 A1 EP 3899091A1
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EP
European Patent Office
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oxide
chosen
layer
substrate
reactive
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP19850765.9A
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German (de)
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Inventor
Aurélien JOULIA
Luc Patrice BIANCHI
Benjamin Dominique Roger Joseph BERNARD
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Safran SA
Original Assignee
Safran SA
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Publication date
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the invention relates to a turbine part, such as a turbine blade or a distributor vane for example, used in aeronautics.
  • the exhaust gases generated by the combustion chamber can reach high temperatures, above 1200 ° C, or even 1600 ° C.
  • a part of the turbojet engine, in contact with these exhaust gases, such as a turbine blade for example, must therefore be able to maintain its mechanical properties at these high temperatures.
  • corrosion and / or oxidation of the substrate of the part is favored by these high temperatures.
  • FIG. 1 schematically illustrates a section of a known turbine part 1, for example a turbine vane 6 or a distributor fin.
  • the part 1 comprises a substrate 2, for example in monocrystalline metal superalloy.
  • the substrate 2 is covered with a coating, for example with an environmental barrier 3.
  • FIG. 2 schematically illustrates a section of the known turbine part 1.
  • the part 1 comprises the substrate 2 covered with the environmental barrier 3.
  • the environmental barrier 3 typically comprises a sublayer 4, a protective layer 5 and a thermally insulating layer 7.
  • the sublayer 4 covers the substrate 2.
  • the sublayer layer 4 is covered by the protective layer 5, formed for example by oxidation of the sublayer 4.
  • the protective layer 5 makes it possible to protect the substrate 2 from corrosion and / or oxidation.
  • the thermally insulating layer 7 covers the layer protective 5.
  • the thermally insulating layer 7 can be made of ceramic, for example yttriated zirconia.
  • the environmental barrier 3 degrades particularly when it is exposed to particles of sand (for example inorganic compounds such as silica) or more generally to oxides of calcium, magnesium, aluminum and / or silicon, whose acronym is CMAS.
  • CMAS have lower melting temperatures than the materials of the environmental barrier 3, and can thus infiltrate in a molten state into the environmental barrier 3 when using the part 1, particularly in the interstices of the barrier environmental 3.
  • the infiltration of CMAS into the environmental barrier 3 leads to the stiffening of the environmental barrier 3, which can cause its mechanical failure under the conditions of use of the turbine.
  • the infiltration of CMAS also results in dissolution of the thermally insulating layer 7 by chemical reaction between the CMAS (s) and the thermally insulating layer 7.
  • one or more CMAS 8 compounds can infiltrate into the interstices of the thermally insulating layer 7, resulting in the stiffening of the thermally insulating layer 7.
  • the thermally insulating layer 7 can be chipped and broken by an insertion of CMAS compounds 8 when the part 1 is used, and for example be separated from the underlayer 4 .
  • This precipitation causes the interstices present between the various columns of GZO and / or of the thermally insulating layer 7 to be blocked and the formation of a diffusion barrier, making it possible to slow down the rate of dissolution of the columns of GZO and / or of thermally insulating layer 7.
  • a reactive layer of lanthanum zirconate (LazZ ⁇ Oz) can also be deposited on a turbine part.
  • the reactive layer is brought into contact with molten CMAS, part of the reactive layer is dissolved, and the reaction between the reactive layer and the CMAS produces an apatite phase of Ca 2 La 8 (Si0 4 ) ô 0 2 . Cracks appear in the reactive layer, causing the appearance of areas of the part that are not protected from CMAS.
  • US 2016/01 1589 describes a reactive layer comprising an anti-CMAS coating comprising an oxide having a weberite structure, making it possible to prevent the infiltration of molten CMAS into the environmental barrier.
  • An object of the invention is to increase the resistance of a turbine part to CMAS compounds.
  • Another object of the invention is to provide a coating allowing a turbine part to resist CMAS compounds different from a coating known from the prior art.
  • Another object of the invention is to provide a coating allowing a turbine part to resist CMAS compounds and having adjustable mechanical and / or chemical properties.
  • an environmental barrier comprising at least one layer chosen from a thermally insulating layer, a sublayer adapted to promote adhesion between the substrate and a thermally insulating layer, and a protective layer adapted to protect the substrate from oxidation and / or corrosion, the environmental barrier covering the substrate at least in part,
  • At least one reactive layer adapted to react with at least one CMAS compound chosen from a calcium oxide, a magnesium oxide, an aluminum oxide and a silicon oxide, the reactive layer covering at least part of the environmental barrier , characterized in that the material of the reactive layer comprises an oxide of formula A'A ”B0 5 + ⁇ , A 'being chosen from a rare earth and yttrium, A” being chosen from a rare earth, yttrium and aluminum, B being chosen from titanium, zirconium, hafnium, tantalum and niobium, d being a real number between 0 and 0.5.
  • the oxide has a mesh chosen from a cubic mesh, an orthorhombic mesh and a hexagonal mesh,
  • the oxide has an atomic fraction of rare earth of between 16% and 25%, in particular between 18% and 25%, and more preferably between 20% and 25 3 ⁇ 4,
  • a ’and A are the same element, A ’and A” being chosen from a rare earth, aluminum, scandium and yttrium,
  • the part comprises at least two reactive layers, the two reactive layers having at least one element chosen from A ’, A” and B different.
  • the oxide is suitable for forming a precipitate comprising apatite in contact with a CMAS compound chosen from a calcium oxide, a magnesium oxide, an aluminum oxide and a silicon oxide, the oxide has a crystalline mesh having at least one space group of the type chosen from
  • the reactive layer directly covers a layer chosen from the thermally insulating layer and the protective layer,
  • the reactive layer has a thickness of between 5 ⁇ m and 500 ⁇ m, the reactive layer comprises between 5% and 80% by volume of said oxide and also comprises at least 10% by volume of an element chosen from YSZ, AI2O3 , Y203-Zr02-Ta2C> 5, RE2Zr2Ü7 and Re 2 SÎ 2 0 7 and their combinations, RE designating an element chosen from yttrium and a lanthanide,
  • the oxide is adapted to form a product during a first reaction with the CMAS compound, said product being adapted to form an apatite phase during a second reaction with the CMAS compound and / or with another product of the first reaction.
  • the invention also relates to a method of protecting a turbine part comprising a step of depositing on the part a reactive layer adapted to react with at least one CMAS compound chosen from a calcium oxide, a magnesium oxide, a aluminum oxide and a silicon oxide, characterized in that the material of the reactive layer comprises an oxide of formula A'A ”BC> 5 + ⁇ , A 'being chosen from a rare earth and yttrium, A” being chosen from a rare earth, yttrium, scandium and aluminum, B being chosen from titanium, zirconium, hafnium, tantalum and niobium, d being a real number between 0 and 0.5.
  • the part comprises a substrate and an environmental barrier comprising at least one layer chosen from a thermally insulating layer, a sublayer adapted to promote adhesion between the substrate and a thermally insulating layer, and a protective layer adapted to protect the substrate oxidation and / or corrosion, the environmental barrier covering at least partially the substrate, the reactive layer being deposited on the environmental barrier,
  • the reactive layer is deposited by a method chosen from plasma spraying at atmospheric pressure or low pressure, plasma spraying of suspension, plasma spraying of solution, spraying by high speed flame in powder or suspension process, evaporation by electron beam, vapor deposition, sol-gel and electrophoresis.
  • FIG. 1 schematically illustrates a section of a turbine part, for example a turbine blade or a distributor fin
  • FIG. 2 is a photomicrograph illustrating a section of substrate covered with an environmental barrier
  • FIG. 3 is a photomicrograph, illustrating the insertion of molten CMAS compounds into the environmental barrier
  • FIG. 4 - Figure 4 is a photomicrograph, illustrating the insertion of molten CMAS compounds into the environmental barrier
  • FIG. 5 - Figure 5 is a photomicrograph illustrating the rupture of an environmental barrier
  • FIG. 6 a photomicrograph illustrating the rupture of an environmental barrier
  • FIG. 7 schematically illustrates a turbine part comprising a coating according to the invention
  • FIG. 8 schematically illustrates a turbine part comprising a coating according to the invention, in contact with CMAS compounds,
  • FIG. 9 schematically illustrates a turbine part comprising a coating according to the invention.
  • superalloy designates an alloy having, at high temperature and at high pressure, very good resistance to oxidation, corrosion, creep and to cyclic stresses (in particular mechanical or thermal).
  • Superalloys find a particular application in the manufacture of parts used in aeronautics, for example turbine blades, because they constitute a family of high resistance alloys which can work at temperatures relatively close to their melting points (typically 0 , 7 to 0.8 times their melting temperatures).
  • a superalloy may have a biphasic microstructure comprising a first phase (called “y phase”) forming a matrix, and a second phase (called “y phase”) forming hardening precipitates in the matrix.
  • y phase a first phase
  • y phase a second phase
  • the coexistence of these two phases is designated by phase y- y ’.
  • the “base” of the superalloy is the main metal component of the matrix. In the majority of cases, the superalloys comprise an iron, cobalt or nickel base, but also sometimes a titanium or aluminum base. The base of the superalloy is preferably a nickel base.
  • the “nickel-based superalloys” have the advantage of offering a good compromise between resistance to oxidation, resistance to rupture at high temperature and weight, which justifies their use in the hottest parts of turbojets.
  • the phase y ' has an ordered structure L12, derived from the cubic structure with centered face, coherent with the matrix, that is to say having an atomic mesh very close to this one.
  • volume fraction refers to the ratio of the volume of an element or group of elements to the total volume.
  • space group of a crystal denotes the set of symmetries of a crystal structure, that is to say the set of affine isometries leaving the structure invariant. It is a group in the mathematical sense of the term.
  • a crystal is organized, in the invention, according to a space group of the type
  • a part 1 comprises a substrate 2.
  • the substrate 2 may preferably be a substrate 2 made of superalloy, and preferably made of nickel-based superalloy as described above.
  • the substrate 2 is covered, at least in part, with an environmental barrier 3.
  • the environmental barrier 3 may comprise, in a known manner, and as illustrated in FIG. 1, a sublayer 4 extending between the substrate 2 and the other layers of the environmental barrier 3, directly covering the substrate 2, adapted to promote adhesion between the substrate 2 and the other layers of the environmental barrier 3.
  • the environmental barrier 3 may also include a protective layer 5, adapted to protect the substrate 2 from oxidation and / or corrosion, and directly covering the sublayer 4.
  • the protective layer 5 is for example formed by oxidation of the sublayer 4. It can for example be made of alumina.
  • the environmental barrier 3 can also include a thermally insulating layer 7, directly covering the protective layer 5.
  • the part 1 also includes a reactive layer 9 adapted to react with at least one CMAS compound 8.
  • the CMAS compound 8 can be chosen from a calcium oxide, a magnesium oxide, an aluminum oxide and / or a silicon oxide and their combinations.
  • the reactive layer 9 at least partially covers the environmental barrier 3. It can directly cover at least one of the layers of the environmental barrier 3, chosen from the protective layer 5 and the thermally insulating layer 7. Different reactive layers 9 can also cover different layers of the environmental barrier 3.
  • the embodiment illustrated in FIG. 1 comprises at least one reactive layer 9 covering all of the layers of the environmental barrier 3.
  • the reactive layer 9 can have a thickness of between 5 ⁇ m and 500 ⁇ m , so as to allow the formation of an apatite phase in contact with a CMAS 8 compound.
  • the material of the reactive layer 9 comprises an oxide of formula A'A ”B0 5 + ⁇ , A 'being chosen from a rare earth and yttrium, A” being chosen from a rare earth, yttrium, scandium and aluminum, B being chosen from titanium, zirconium, hafnium, tantalum and niobium, d being a real number between 0 and 0.5.
  • This formula allows the oxide of reactive layer 9 (hereinafter “the oxide”) to present a volume fraction in soil rare and / or in Yttrium high enough to allow rapid precipitation of the molten CMAS compound (s), and avoid their introduction into interstices presented in the environmental barrier 3.
  • This formula can also advantageously allow the oxide of the reactive layer 9 to present a cubic mesh.
  • Table 1 includes the different elements A ', A ”and B which can be chosen for the oxide.
  • the oxide material can have an atomic fraction of rare earth and / or yttrium, aluminum and scandium of between 10% and 25%, and preferably between 18% and 25% when A 'and A ”are rare earths and / or yttrium.
  • This range of atomic fractions in rare earth and / or in yttrium, comprising atomic fractions higher than that of Gd2Zr2Ü7 for example, allows the material of the reactive layer 9 to exhibit kinetics of reaction with the CMAS compound (s) 8 faster than that of the materials described in the prior art (for example Gd 2 ⁇ r 2 0 7 ).
  • the CMAS compound (s) 8 melted in contact with the reactive layer 9 are immobilized more quickly, or slowed down by the production of an apatite phase, thickening and / or solidifying the CMAS reactive compound 8 at the interface with the environmental barrier. 3, and avoiding contact between the CMAS compound (s) 8 and other parts of the environmental barrier 3.
  • the oxide can also have a crystalline mesh having a cubic crystalline structure, preferably having a space group of the type
  • Pnma and / or a hexagonal type structure, preferably having a space group
  • the elements A 'and A ” can be different.
  • the reactivity of the oxide with respect to CMAS 8 can be increased by the formation of different phases, including at least one apatite phase, for example of formula Ca 2 RE 8 (Si0 4 ) ô 0 2 , RE being a rare earth or yttrium.
  • One or more secondary oxides can also be produced by the reaction between the oxide and the CMAS 8 compound (s).
  • the elements A ', A ”, B are chosen so as to allow the formation of a secondary oxide, resulting from the reaction between the oxide and the CMAS compound (s) 8.
  • the secondary oxide formed can be reactive with secondary products of the reaction between the oxide and the CMAS compound (s) 8.
  • the secondary oxide formed can also be directly reactive with the CMAS compound 8.
  • the secondary oxides produced can be, for example:
  • ZrÜ2 zirconia
  • CaO lime
  • MgO magnesia
  • HfC> 2 hafnium oxides stabilized by lime (CaO) and / or magnesia (MgO), - perovskites, of calcium titanate (CaTiCH) or magnesium (MgTi0) types.
  • the elements A 'and A ” can be the same element A: the oxide of the reactive layer 9 can be described by the formula A Z BO S + ⁇ , d being a real number between 0 and 0.5.
  • the elements of the oxide are chosen from the elements described in Table 2.
  • the atomic fraction of rare earth or aluminum or scandium or yttrium can be increased compared to known oxides, by the structure of the oxide.
  • the manufacture of the reactive layer 9 can also be simplified in this way.
  • the reactive layer 9 can comprise other anti-CMAS oxides.
  • the reactive layer 9 can comprise between 5% and 80% by volume of said oxide and also comprises at least 10% by volume of an element chosen from YSZ, AI2O3, Y203-Zr02-Ta2C> 5, RE2Zr2Ü7 and Re2SÎ2C> 7 and their combinations, RE designating an element chosen from yttrium and a lanthanide.
  • Another aspect of the invention is a method of protecting a part with molten sand (s).
  • the method includes a layer deposition step reactive 9 as described above, on a part 1, or part of part 1.
  • part of part 1 is meant a part of the surface and / or an internal part of part 1 (in which case one or more layers of part 1 can cover the reactive layer 9 once the part 1 has been produced) .
  • the part 1 comprises the reactive layer 9.
  • the part 1 comprising the reactive layer 9 deposited on the thermally insulating layer 7 has sufficient reactivity with the compound or compounds CMAS 8 to produce at least one apatite phase before the insertion of the molten CMAS compound (s) 8 into the interstices of the thermally insulating layer 7, and thus avoid or limit this insertion.
  • the CMAS compound (s) 8 can more difficultly access the surface of the environmental barrier 3, and their effect on the rupture of the environmental barrier 3 is limited.
  • a reactive layer 9 comprising the oxide GdzTiOs is subjected to chemical attack by a molten CMAS 8.
  • the reactive layer 9 is deposited by plasma spraying of suspensions (SPS, acronym for Suspension Plasma Spraying) during of the production of part 1.
  • SPS Suspension Plasma Spraying
  • part of the reactive layer 9 is dissolved by the CMAS compound 8, and a phase of apatite Ca 2 Gd 8 (Si0 4 ) ô 0 2 impervious to molten CMAS 8 is formed between the reactive layer 9 and the molten CMAS 8.
  • the layer of Ca 2 Gd 8 (Si0 4 ) ô 0 2 is also impermeable to the other products of the reaction (secondary products) between the reactive layer 9 and the CMAS compounds 8.
  • the layer of Ca 2 Gd 8 (Si0 4 ) ô 0 2 also makes it possible to produce secondary phases, making it possible to protect the reactive layer 9.
  • the environmental barrier 3 has no cracks.
  • the cation reservoir of compound A that is to say A 'and A ”when A' and A” are the same element, makes it possible to form a tight layer and therefore to limit the depth of penetration, by compared to the use of a known reactive layer such as La 2 ⁇ r 2 0 7 .

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Abstract

La présente invention concerne une pièce de turbine, comprenant un substrat, une barrière environnementale comprenant au moins une couche choisie parmi une couche thermiquement isolante, une sous-couche adaptée à promouvoir l'adhésion entre le substrat et une couche thermiquement isolante, et une couche protectrice adaptée à protéger le substrat de l'oxydation et/ou de la corrosion, la barrière environnementale recouvrant au moins en partie le substrat, au moins une couche réactive adaptée à réagir avec au moins un composé CMAS, la couche réactive recouvrant au moins une partie de la barrière environnementale, caractérisée en ce que le matériau de la couche réactive comprend un oxyde de formule A'A''BO5+δ, A' étant choisi parmi une terre rare et l'yttrium, A'' étant choisi parmi une terre rare, l'yttrium et l'aluminium, B étant choisi parmi le titane, le zirconium, le hafnium, le tantale et le niobium, δ étant un nombre réel compris entre 0 et 0,5.

Description

PIECE DE TURBINE RESISTANTE AU SABLE FONDU
DOMAINE DE L'INVENTION
L’invention concerne une pièce de turbine, telle qu’une aube de turbine ou une ailette de distributeur par exemple, utilisée dans l’aéronautique.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Dans un turboréacteur, les gaz d’échappement générés par la chambre de combustion peuvent atteindre des températures élevées, supérieures à 1200° C, voire 1600° C. Une pièce du turboréacteur, en contact avec ces gaz d’échappement, telle qu’une aube de turbine par exemple, doit ainsi être capable de conserver ses propriétés mécaniques à ces températures élevées. De plus, la corrosion et/ou l’oxydation du substrat de la pièce est favorisée par ces températures élevées. A cet effet, il est connu de protéger la pièce contre des températures trop élevées, l’oxydation et/ou la corrosion, en la recouvrant d’une barrière environnementale.
La figure 1 illustre schématiquement une section d’une pièce 1 de turbine connue, par exemple une aube 6 de turbine ou une ailette de distributeur. La pièce 1 comprend un substrat 2, par exemple en superalliage métallique monocristallin. Le substrat 2 est recouvert d’un revêtement, par exemple d’une barrière environnementale 3.
La figure 2 illustre schématiquement une section de la pièce 1 de turbine connue. La pièce 1 comprend le substrat 2 recouvert de la barrière environnementale 3. La barrière environnemental 3 comprend typiquement une sous-couche 4, une couche protectrice 5 et une couche thermiquement isolante 7. La sous-couche 4 recouvre le substrat 2. La sous-couche 4 est recouverte par la couche protectrice 5, formée par exemple par oxydation de la sous-couche 4. La couche protectrice 5 permet de protéger le substrat 2 de la corrosion et/ou de l’oxydation. La couche thermiquement isolante 7 recouvre la couche protectrice 5. La couche thermiquement isolante 7 peut être en céramique, par exemple en zircone yttriée.
La barrière environnementale 3 se dégrade particulièrement lorsqu’elle est exposée à des particules de sable (par exemple des composés inorganiques tels que la silice) ou de manière plus générale à des oxydes de calcium, de magnésium, d’aluminium et/ou silicium, dont l’acronyme est CMAS. Les CMAS présentent des températures de fusion inférieure à celle des matériaux de la barrière environnementale 3, et peuvent ainsi s’infiltrer dans un état fondu dans la barrière environnementale 3 lors de l’utilisation de la pièce 1 , particulièrement dans les interstices de la barrière environnementale 3. L’infiltration des CMAS dans la barrière environnementale 3 entraîne la rigidification de la barrière environnementale 3, ce qui peut entraîner sa rupture mécanique dans les conditions d’utilisation de la turbine. L’infiltration des CMAS entraîne également une dissolution de la couche thermiquement isolante 7 par réaction chimique entre le ou les CMAS et la couche thermiquement isolante 7.
En référence à la figure 3 et à la figure 4, un ou plusieurs composés CMAS 8 peuvent s’infiltrer dans les interstices de la couche thermiquement isolante 7, entraînant la rigidification de la couche thermiquement isolante 7.
En référence à la figure 5 et à la figure 6, la couche thermiquement isolante 7 peut être écaillée et rompue par une insertion de composés CMAS 8 lors de l’utilisation de la pièce 1 , et par exemple être désolidarisée de la sous-couche 4.
Levi et al. ( Levi , C. G. , Hutchinson, J. W. , Vidal-Sétif, M. H. , & Johnson, C. A. (2012). Environmental dégradation of thermal-barrier coatings by molten deposits. MRS bulletin, 37(10), 932-941) décrit l’utilisation d’une pièce 1 recouverte de zirconate de terre rare, tel que Gd2Zr2Ü7 (GZO). Au contact de CMAS, le zirconate de terre rare est dissout, et précipite d’une part en une phase de fluorite Zr(Gd,Ca)Ox et d’autre part en une phase très stable d’apatite Ca2Gd8(Si04)ô02. Ces précipitations entraînent le bouchage des interstices présents entre les différentes colonnes de GZO et/ou de la couche thermiquement isolante 7 et la formation d’une barrière de diffusion, permettant de ralentir le taux de dissolution des colonnes de GZO et/ou de couche thermiquement isolante 7.
En revanche, la précipitation de CMAS fondu, décrite par Levi et al. , bouche les interstices lorsque le CMAS est entré dans les interstices du GZO et/ou de la couche thermiquement isolante 7, entraînant une détérioration des propriétés mécaniques de la couche environnementale 3.
Par exemple, une couche réactive de zirconate de lanthane (LazZ^Oz) peut également être déposée sur une pièce de turbine. Lors d’une mise en contact de la couche réactive avec des CMAS fondus, une partie de la couche réactive est dissoute, et la réaction entre la couche réactive et les CMAS produit une phase apatite de Ca2La8(Si04)ô02. Des fissures apparaissent dans la couche réactive, entraînant l’apparition de zones de la pièce qui ne sont pas protégées des CMAS.
US 2016/01 1589 décrit une couche réactive comprenant un revêtement anti- CMAS comprenant un oxyde présentant une structure weberite, permettant d’éviter l’infiltration de CMAS fondu dans la barrière environnementale.
EXPOSE DE L'INVENTION
Un but de l’invention est d’augmenter la résistance d’une pièce de turbine aux composés CMAS.
Un autre but de l’invention est de proposer un revêtement permettant à une pièce de turbine de résister aux composés CMAS différent d’un revêtement connu de l’art antérieur.
Un autre but de l’invention est de proposer un revêtement permettant à une pièce de turbine de résister aux composés CMAS et présentant des propriétés mécaniques et/ou chimiques ajustables.
Ces buts sont atteints dans le cadre de la présente invention grâce à une pièce de turbine, comprenant :
- un substrat, - une barrière environnementale comprenant au moins une couche choisie parmi une couche thermiquement isolante, une sous-couche adaptée à promouvoir l’adhésion entre le substrat et une couche thermiquement isolante, et une couche protectrice adaptée à protéger le substrat de l’oxydation et/ou de la corrosion, la barrière environnementale recouvrant au moins en partie le substrat,
- au moins une couche réactive adaptée à réagir avec au moins un composé CMAS choisi parmi un oxyde de calcium, un oxyde de magnésium, un oxyde d’aluminium et un oxyde de silicium, la couche réactive recouvrant au moins une partie de la barrière environnementale, caractérisée en ce que le matériau de la couche réactive comprend un oxyde de formule A’A”B05+Ô, A’ étant choisi parmi une terre rare et l’yttrium, A” étant choisi parmi une terre rare, l’yttrium et l’aluminium, B étant choisi parmi le titane, le zirconium, le hafnium, le tantale et le niobium, d étant un nombre réel compris entre 0 et 0,5.
L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises individuellement ou en l’une quelconque de leurs combinaisons techniquement possibles :
- l’oxyde présente une maille choisie parmi une maille cubique, une maille orthorhombique et une maille hexagonale,
- l’oxyde présente une fraction atomique en terre rare comprise entre 16 % et 25 %, notamment entre 18 % et 25 %, et plus préférentiellement entre 20 % et 25 ¾,
- A’ et A” sont le même élément, A’ et A” étant choisis parmi une terre rare, l’aluminium, le scandium et l’yttrium,
- la pièce comprend au moins deux couches réactives, les deux couches réactives présentant au moins un élément choisi parmi A’, A” et B différent.
- l’oxyde est adapté à former un précipité comprenant de l’apatite au contact d’un composé CMAS choisi parmi un oxyde de calcium, un oxyde de magnésium, un oxyde d’aluminium et un oxyde de silicium, - l’oxyde présente une maille cristalline présentant au moins un groupe d’espace de type choisi parmi
[Math. 1 ]
Fm3m
[Math. 2]
Pnma et
[Math. 3]
P63/mmc
- la couche réactive recouvre directement une couche choisie parmi la couche thermiquement isolante et la couche protectrice,
- la couche réactive présente une épaisseur comprise entre 5 pm et 500 pm, - la couche réactive comprend entre 5 % et 80, % en volume dudit oxyde et comprend en outre au moins 10 % en volume d’un élément choisi parmi YSZ, AI2O3, Y203-Zr02-Ta2C>5, RE2Zr2Ü7 et Re2SÎ207 et leurs combinaisons, RE désignant un élément choisi parmi l’yttrium et un lanthanide,
- l’oxyde est adapté à former un produit lors d’une première réaction avec le composé CMAS, ledit produit étant adapté à former une phase apatite lors d’une deuxième réaction avec le composé CMAS et/ou avec un autre produit de la première réaction.
L’invention concerne également un procédé de protection d’une pièce de turbine comprenant une étape de dépôt sur la pièce d’une couche réactive adaptée à réagir avec au moins un composé CMAS choisi parmi un oxyde de calcium, un oxyde de magnésium, un oxyde d’aluminium et un oxyde de silicium, caractérisé en ce que le matériau de la couche réactive comprend un oxyde de formule A’A”BC>5+Ô, A’ étant choisi parmi une terre rare et l’yttrium, A” étant choisi parmi une terre rare, l’yttrium, le scandium et l’aluminium, B étant choisi parmi le titane, le zirconium, le hafnium, le tantale et le niobium, d étant un nombre réel compris entre 0 et 0,5.
Le procédé est avantageusement complété par les caractéristiques suivantes, prises individuellement ou en l’une quelconque de leurs combinaisons techniquement possibles :
- la pièce comprend un substrat et une barrière environnementale comprenant au moins une couche choisie parmi une couche thermiquement isolante, une sous-couche adaptée à promouvoir l’adhésion entre le substrat et une couche thermiquement isolante, et une couche protectrice adaptée à protéger le substrat de l’oxydation et/ou de la corrosion, la barrière environnementale recouvrant au moins en partie le substrat, la couche réactive étant déposée sur la barrière environnementale,
- la couche réactive est déposée par une méthode choisie parmi la projection plasma à pression atmosphérique ou faible pression, la projection plasma de suspension, la projection plasma de solution, la projection par flamme à grande vitesse en voie poudre ou voie suspension, l’évaporation par faisceau d’électrons, le dépôt en phase vapeur, le sol-gel et l’électrophorèse.
DESCRIPTION DES FIGURES D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
[Fig. 1 ] - la figure 1 illustre schématiquement une section d’une pièce de turbine, par exemple une aube de turbine ou une ailette de distributeur, [Fig. 2] - la figure 2 est une microphotographie illustrant une section de substrat recouvert d’une barrière environnementale,
[Fig. 3] - la figure 3 est une microphotographie, illustrant l’insertion de composés CMAS fondus dans la barrière environnementale,
[Fig. 4] - la figure 4 est une microphotographie, illustrant l’insertion de composés CMAS fondus dans la barrière environnementale, [Fig. 5] - la figure 5 est une microphotographie illustrant la rupture d’une barrière environnementale,
[Fig. 6] - la figure 6 une microphotographie illustrant la rupture d’une barrière environnementale, [Fig. 7] - la figure 7 illustre schématiquement une pièce de turbine comprenant un revêtement selon l’invention,
[Fig. 8] - la figure 8 illustre schématiquement une pièce de turbine comprenant un revêtement selon l’invention, en contact avec des composés CMAS,
[Fig. 9] - la figure 9 illustre schématiquement une pièce de turbine comprenant un revêtement selon l’invention.
Sur l’ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques.
DEFINITIONS On désigne par le terme « superalliage » un alliage présentant, à haute température et à haute pression, une très bonne résistance à l'oxydation, à la corrosion, au fluage et à des contraintes cycliques (notamment mécaniques ou thermiques). Les superalliages trouvent une application particulière dans la fabrication de pièces utilisées dans l'aéronautique, par exemple des aubes de turbine, car ils constituent une famille d’alliages à haute résistance pouvant travailler à des températures relativement proches de leurs points de fusion (typiquement 0,7 à 0,8 fois leurs températures de fusion).
Un superalliage peut présenter une microstructure biphasique comprenant une première phase (appelée « phase y ») formant une matrice, et une deuxième phase (appelée « phase y’ ») formant des précipités durcissant dans la matrice. La coexistence de ces deux phases est désignée par phase y- y’.
La « base » du superalliage désigne le composant métallique principal de la matrice. Dans la majorité des cas, les superalliages comprennent une base fer, cobalt, ou nickel, mais également parfois une base titane ou aluminium. La base du superalliage est préférentiellement une base nickel. Les « superalliages base nickel » présentent l’avantage d’offrir un bon compromis entre résistance à l’oxydation, résistance à la rupture à haute température et poids, ce qui justifie leur emploi dans les parties les plus chaudes des turboréacteurs. Les superalliages base nickel sont constitués d’une phase y (ou matrice) de type austénitique cubique à face centrée y-Ni, contenant éventuellement des additifs en solution solide de substitution a (Co, Cr, W, Mo), et d’une phase y’ (ou précipités) de type y’-NhX, avec X = Al, Ti ou Ta. La phase y’ possède une structure L12 ordonnée, dérivée de la structure cubique à face centrée, cohérente avec la matrice, c’est-à-dire ayant une maille atomique très proche de celle-ci.
On désigne par le terme « fraction volumique » le rapport du volume d’un élément ou d’un groupe d’éléments sur le volume total.
On désigne par « groupe d’espace » d’un cristal l'ensemble des symétries d'une structure cristalline, c'est-à-dire l'ensemble des isométries affines laissant la structure invariante. Il s'agit d'un groupe au sens mathématique du terme. Préférentiellement, un cristal est organisé, dans l’invention, selon un groupe d’espace de type
[Math. 4]
Fm3m
, un groupe d’espace de type [Math. 5]
Pnma et/ou un groupe d’espace de type [Math. 6]
P63/mmc
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En référence à la figure 7, une pièce 1 comprend un substrat 2. Le substrat 2 peut être préférentiellement un substrat 2 en superalliage, et de préférence en superalliage à base nickel tel que décrit précédemment. Le substrat 2 est recouvert, au moins en partie, d’une barrière environnementale 3. La barrière environnementale 3 peut comprendre, de manière connue, et comme illustré en figure 1 , une sous-couche 4 s’étendant entre le substrat 2 et les autres couches de la barrière environnementale 3, recouvrant directement le substrat 2, adaptée à promouvoir l’adhésion entre le substrat 2 et les autres couches de la barrière environnementale 3. La barrière environnementale 3 peut également comprendre une couche protectrice 5, adaptée à protéger le substrat 2 de l’oxydation et/ou de la corrosion, et recouvrant directement la sous-couche 4. La couche protectrice 5 est par exemple formée par oxydation de la sous-couche 4. Elle peut par exemple être en alumine. La barrière environnementale 3 peut également comprendre une couche thermiquement isolante 7, recouvrant directement la couche protectrice 5.
La pièce 1 comprend également une couche réactive 9 adaptée à réagir avec au moins un composé CMAS 8. Le composé CMAS 8 peut être choisi parmi un oxyde de calcium, un oxyde de magnésium, un oxyde d’aluminium et /ou un oxyde de silicium et leurs combinaisons. La couche réactive 9 recouvre au moins en partie la barrière environnementale 3. Elle peut recouvrir directement au moins une des couches de la barrière environnementale 3, choisie parmi la couche protectrice 5 et la couche thermiquement isolante 7. Différentes couches réactives 9 peuvent également recouvrir différentes couches de la barrière environnementale 3. Le mode de réalisation illustré dans la figure 1 comprend au moins une couche réactive 9 recouvrant l’ensemble des couches de la barrière environnementale 3. La couche réactive 9 peut présenter une épaisseur comprise entre 5 pm et 500 pm, de manière à permettre la formation d’une phase apatite au contact d’un composé CMAS 8.
Le matériau de la couche réactive 9 comprend un oxyde de formule A’A”B05+Ô, A’ étant choisi parmi une terre rare et l’yttrium, A” étant choisi parmi une terre rare, l’yttrium, le scandium et l’aluminium, B étant choisi parmi le titane, le zirconium, le hafnium, le tantale et le niobium, d étant un nombre réel compris entre 0 et 0,5. Cette formule permet à l’oxyde de la couche réactive 9 (ci-après « l’oxyde ») de présenter une fraction volumique en terre rare et/ou en Yttrium assez élevée pour permettre une précipitation rapide du ou des composés CMAS fondus, et éviter leur introduction dans des interstices présentés dans la barrière environnementale 3. Cette formule peut également permettre avantageusement à l’oxyde de la couche réactive 9 de présenter une maille cubique. Le tableau 1 comprend les différents éléments A’, A” et B qui peuvent être choisis pour l’oxyde.
[Tableau 1 ]
Tableau 1 Ainsi, le matériau de l’oxyde peut présenter une fraction atomique en terre rare et/ou en yttrium, aluminium et scandium comprise entre 10 % et 25 %, et préférentiellement entre 18% et 25 % lorsque A’ et A” sont des terres rares et/ou de l’yttrium. Cette gamme de fractions atomiques en terre rare et/ou en yttrium, comprenant des fractions atomiques plus élevées que celle de Gd2Zr2Ü7 par exemple, permet au matériau de la couche réactive 9 de présenter une cinétique de réaction avec le ou les composés CMAS 8 plus rapide que celle des matériaux décrits dans l’art antérieur (par exemple Gd2år207). Ainsi, le ou les composés CMAS 8 fondus en contact avec la couche réactive 9 sont immobilisés plus rapidement, ou ralentis par une production d’une phase apatite, épaississant et/ou solidifiant le composé réactif CMAS 8 à l’interface avec la barrière environnementale 3, et évitant le contact entre le ou les composés CMAS 8 et d’autres parties de la barrière environnementale 3. De par sa composition, l’oxyde peut également présenter une maille cristalline présentant une structure cristalline cubique, préférentiellement présentant un groupe d’espace de type
[Math. 7] Fm3m
, et/ou une structure cristalline de type hexagonale, préférentiellement présentant un groupe d’espace
[Math. 8]
Pnma , et/ou une structure de type hexagonale, préférentiellement présentant un groupe d’espace
[Math. 9]
P63/mmc
Avantageusement, les éléments A’ et A” peuvent être différents. Ainsi, la réactivité de l’oxyde par rapport à un/aux CMAS 8 peut être augmentée par la formation de différentes phases, dont au moins une phase apatite, par exemple de formule Ca2RE8(Si04)ô02, RE étant une terre rare ou l’yttrium. Un ou plusieurs oxydes secondaires peuvent également être produits par la réaction entre l’oxyde et le ou les composés CMAS 8.
Avantageusement, les éléments A’, A”, B sont choisis de manière à permettre la formation d’un oxyde secondaire, issu de la réaction entre l’oxyde et le ou les composés CMAS 8. L’oxyde secondaire formé peut être réactif à des produits secondaires de la réaction entre l’oxyde et le ou les composés CMAS 8. L’oxyde secondaire formé peut également être directement réactif au composé CMAS 8. Les oxydes secondaires produits peuvent être, par exemple :
- des zircones (ZrÜ2) stabilisés par la chaux (CaO) et/ou par la magnésie (MgO),
- des oxydes d’hafnium (HfC>2) stabilisés par la chaux (CaO) et/ou la magnésie (MgO), - des pérovskites, de types titanates de calcium (CaTiCH) ou de magnésium (MgTi0 ).
Ces différents oxydes secondaires peuvent être adaptés à former une phase apatite lors de la réaction avec le ou les composés CMAS 8. Les éléments A’ et A” peuvent être le même élément A : l’oxyde de la couche réactive 9 peut être décrit par la formule AZBOS+Ô, d étant un nombre réel compris entre 0 et 0,5. Les éléments de l’oxyde sont choisis parmi les éléments décrits dans le tableau 2.
[Tableau 2]
Tableau 2
Ainsi, la fraction atomique en terre rare ou en aluminium ou en scandium ou en yttrium peut être augmentée par rapport aux oxydes connus, de par la structure de l’oxyde. La fabrication de la couche réactive 9 peut également être simplifiée de cette manière.
Avantageusement, la couche réactive 9 peut comprendre d’autres oxydes anti- CMAS. La couche réactive 9 peut comprendre entre 5 % et 80 % en volume dudit oxyde et comprend en outre au moins 10 % en volume d’un élément choisi parmi YSZ, AI2O3 , Y203-Zr02-Ta2C>5, RE2Zr2Ü7 et Re2SÎ2C>7 et leurs combinaisons, RE désignant un élément choisi parmi l’yttrium et un lanthanide.
Un autre aspect de l’invention est un procédé de protection d’une pièce au(x) sable(s) fondu(s). Le procédé comprend une étape de dépôt de la couche réactive 9 telle que décrite précédemment, sur une pièce 1 , ou une partie de la pièce 1 . Par « partie de la pièce 1 », on entend une partie de la surface et/ou une partie interne de la pièce 1 (auquel cas une ou plusieurs couches de la pièce 1 peuvent recouvrir la couche réactive 9 une fois la pièce 1 fabriquée). Après le dépôt, la pièce 1 comprend la couche réactive 9. La couche réactive
9 peut être déposée directement sur le substrat 2 de la pièce 1 , par exemple un substrat 2 en superalliage, ou sur une ou plusieurs couches d’une barrière environnementale 3. Le dépôt de la couche réactive 9 peut être réalisé sur au moins l’une des couches formant la barrière environnementale 3, et préférentiellement sur la couche thermiquement isolante 7. Ainsi, et contrairement aux pièces connues, la pièce 1 comprenant la couche réactive 9 déposée sur la couche thermiquement isolante 7 présente une réactivité suffisante avec le ou les composés CMAS 8 pour produire au moins une phase apatite avant l’insertion du ou des composés CMAS 8 fondus dans les interstices de la couche thermiquement isolante 7, et ainsi éviter ou limiter cette insertion. De cette manière, le ou les composés CMAS 8 peuvent plus difficilement accéder à la surface de la barrière environnementale 3, et leur effet sur la rupture de la barrière environnementale 3 est limité.
Exemple
Réaction entre un CMAS 8 liquide et une couche réactive de Gd TiOs
En référence à la figure 8, une couche réactive 9 comprenant l’oxyde GdzTiOs est soumise à une agression chimique par un CMAS fondu 8. La couche réactive 9 est déposée par projection plasma de suspensions (SPS, acronyme anglais de Suspension Plasma Spraying) lors de la fabrication de la pièce 1 .
En référence à la figure 9, après un temps de réaction par exemple supérieur à 5 min, préférentiellement supérieur à 1 min, une partie de la couche réactive 9 est dissoute par le composé CMAS 8, et une phase d’apatite Ca2Gd8(Si04)ô02 étanche aux CMAS 8 fondus est formée entre la couche réactive 9 et les CMAS 8 fondus. La couche de Ca2Gd8(Si04)ô02 est également étanche aux autres produits de la réaction (produits secondaires) entre la couche réactive 9 et les composés CMAS 8. La couche de Ca2Gd8(Si04)ô02 permet également de produire des phases secondaires, permettant de protéger la couche réactive 9. La barrière environnementale 3 ne présente aucune fissure. En effet, le réservoir de cations de composé A, c’est-à-dire A’ et A” quand A’ et A” sont le même élément, permet de former une couche étanche et donc de limiter la profondeur de pénétration, par rapport à l’utilisation d’une couche réactive connue telle que à La2år207.

Claims

Revendications
1 . Pièce (1 ) de turbine, comprenant :
- un substrat (2),
- une barrière environnementale (3) comprenant au moins une couche choisie parmi une couche thermiquement isolante (7), une sous-couche (4) adaptée à promouvoir l’adhésion entre le substrat (2) et une couche thermiquement isolante (7), et une couche protectrice (5) adaptée à protéger le substrat de l’oxydation et/ou de la corrosion, la barrière environnementale (3) recouvrant au moins en partie le substrat (2),
- au moins une couche réactive (9) adaptée à réagir avec au moins un composé CMAS (8) choisi parmi un oxyde de calcium, un oxyde de magnésium, un oxyde d’aluminium et un oxyde de silicium, la couche réactive (9) recouvrant au moins une partie de la barrière environnementale (3), caractérisée en ce que le matériau de la couche réactive (9) comprend un oxyde de formule A’A”BC>5+Ô, A’ étant choisi parmi une terre rare et l’yttrium, A” étant choisi parmi une terre rare, l’yttrium et l’aluminium, B étant choisi parmi le titane, le zirconium, le hafnium, le tantale et le niobium, d étant un nombre réel compris entre 0 et 0,5,
l’oxyde présentant une fraction atomique en terre rare comprise entre 18 % et 25 %.
2. Pièce (1 ) selon la revendication 1 , dans laquelle l’oxyde présente une maille choisie parmi une maille cubique, une maille orthorhombique et une maille hexagonale.
3. Pièce (1 ) selon l’une des revendications 1 à 2, dans laquelle A’ et A” sont le même élément.
4. Pièce (1 ) selon l’une des revendications 1 à 3, comprenant au moins deux couches réactives (9), les deux couches réactives (9) présentant au moins un élément choisi parmi A’, A” et B différent.
5. Pièce (1 ) selon l’une des revendications 1 à 4, dans laquelle l’oxyde est adapté à former un précipité comprenant de l’apatite au contact d’un composé CMAS (8) choisi parmi un oxyde de calcium, un oxyde de magnésium, un oxyde d’aluminium et un oxyde de silicium.
6. Pièce (1 ) selon l’une des revendications 1 à 5, dans laquelle l’oxyde présente une maille cristalline présentant au moins un groupe d’espace de type choisi parmi Fm3m, Pnma et P63/mmc.
7. Pièce (1 ) selon l’une des revendications 1 à 6, dans laquelle la couche réactive (9) recouvre directement une couche choisie parmi la couche thermiquement isolante (7) et la couche protectrice (5).
8. Pièce (1 ) selon l’une des revendications 1 à 7, dans laquelle la couche réactive (9) présente une épaisseur comprise entre 5 pm et 500 pm.
9. Pièce (1 ) selon l’une des revendications 1 à 8 dans laquelle la couche réactive (9) comprend entre 5 % et 80 % en volume dudit oxyde et comprend en outre au moins 10 % en volume d’un élément choisi parmi YSZ, AI2O3 , Y2O3 - Zr02-Ta2C>5, RE2Zr2Ü7 et Re2SÎ2C>7 et leurs combinaisons, RE désignant un élément choisi parmi l’yttrium et un lanthanide.
10. Pièce (1 ) selon l’une des revendications 1 à 9, dans laquelle l’oxyde est adapté à former un produit lors d’une première réaction avec le composé CMAS (8), ledit produit étant adapté à former une phase apatite lors d’une deuxième réaction avec le composé CMAS (8) et/ou avec un autre produit de la première réaction.
1 1 . Procédé de protection d’une pièce (1 ) de turbine comprenant une étape de dépôt sur la pièce d’une couche réactive (9) adaptée à réagir avec au moins un composé CMAS (8) choisi parmi un oxyde de calcium, un oxyde de magnésium, un oxyde d’aluminium et un oxyde de silicium, caractérisé en ce que le matériau de la couche réactive (9) comprend un oxyde de formule A’A”B05+Ô, A’ étant choisi parmi une terre rare et l’yttrium, A” étant choisi parmi une terre rare, l’yttrium, le scandium et l’aluminium, B étant choisi parmi le titane, le zirconium, le hafnium, le tantale et le niobium, d étant un nombre réel compris entre 0 et 0,5,
la pièce comprenant :
- un substrat (2),
- une barrière environnementale (3) comprenant au moins une couche choisie parmi une couche thermiquement isolante (7), une sous-couche (4) adaptée à promouvoir l’adhésion entre le substrat (2) et une couche thermiquement isolante (7), et une couche protectrice (5) adaptée à protéger le substrat de l’oxydation et/ou de la corrosion, la barrière environnementale (3) recouvrant au moins en partie le substrat (2), la couche réactive (9) étant déposée sur la barrière environnementale (3).
12. Procédé selon la revendication 1 1 , dans lequel la couche réactive (9) est déposée par une méthode choisie parmi la projection plasma à pression atmosphérique ou faible pression, la projection plasma de suspension, la projection plasma de solution, la projection par flamme à grande vitesse en voie poudre ou voie suspension, l’évaporation par faisceau d’électrons, le dépôt en phase vapeur, le sol-gel et l’électrophorèse.
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