EP4562218A1 - Procede d'application de revetement et aube de turbine avec revetement applique suivant ce procede - Google Patents

Procede d'application de revetement et aube de turbine avec revetement applique suivant ce procede

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EP4562218A1
EP4562218A1 EP23755459.7A EP23755459A EP4562218A1 EP 4562218 A1 EP4562218 A1 EP 4562218A1 EP 23755459 A EP23755459 A EP 23755459A EP 4562218 A1 EP4562218 A1 EP 4562218A1
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EP
European Patent Office
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vapor deposition
chemical vapor
substrate
nickel
coating
Prior art date
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Pending
Application number
EP23755459.7A
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German (de)
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Inventor
Amar Saboundji
Virginie JAQUET
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Safran SA
Original Assignee
Safran SA
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Publication date
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Definitions

  • the present presentation concerns a process for applying a coating to a nickel-based superalloy substrate, as well as a nickel-based superalloy turbine blade with a coating applied according to this process.
  • nickel-based superalloy we mean a superalloy whose mass percentage of nickel is the majority. We understand that nickel is therefore the element with the highest mass percentage.
  • nickel-based superalloys for single-crystal blades have undergone significant changes in chemical composition, with the aim in particular of improving their creep properties at high temperatures while maintaining environmental resistance. very aggressive in which these superalloys are used.
  • These superalloys include an austenitic matrix of face-centered cubic structure, solid solution based on nickel, called gamma phase ("y"), with precipitates of gamma prime (“y'") hardening phase of ordered cubic structure L1 2 of type Ni 3 Al The whole (matrix and precipitates) is therefore described as a y/y' superalloy.
  • these superalloys contain a high proportion of y' phase precipitates, approximately 60 to 70% by weight.
  • metallic coatings adapted to these superalloys have been developed in order to increase their resistance to the aggressive environment in which they are used, including resistance to oxidation and resistance to corrosion.
  • a ceramic coating of low thermal conductivity, performing a thermal barrier function can be added to reduce the temperature on the metal surface.
  • a complete protection system comprises at least two layers.
  • the first layer also called sub-layer or bonding layer
  • the deposition step is followed by a diffusion step of the sublayer in the superalloy.
  • Deposit and distribution can also be carried out in a single step.
  • M Ni (nickel) or Co (cobalt)
  • Cr chromium
  • NiAlyPtz nickel aluminide type alloys
  • the second layer is a ceramic coating comprising for example yttriated zirconia, also called “YSZ” in accordance with the English acronym for " Yttria Stabilized Zirconia” or “YPSZ” in accordance with the English acronym for “Yttria Partially Stabilized Zirconia” and having a porous structure.
  • This layer can be deposited by different processes, such as electron beam evaporation (“EB-PVD” in accordance with the English acronym for “Electron Beam Physical Vapor Deposition”), thermal spraying (“APS” in accordance with the English acronym for “Atmospheric Plasma Spraying” or “SPS” in accordance with the English acronym for “Suspension Plasma Spraying”), or any other process making it possible to obtain a porous ceramic coating with low thermal conductivity.
  • EB-PVD electron beam evaporation
  • APS in accordance with the English acronym for “Atmospheric Plasma Spraying” or “SPS” in accordance with the English acronym for “Suspension Plasma Spraying”
  • any other process making it possible to obtain a porous ceramic coating with low thermal conductivity.
  • inter-diffusion phenomena occur on the microscopic scale between the nickel-based superalloy of the substrate and the metal alloy of the underlayer.
  • These inter-diffusion phenomena associated with the oxidation of the sub-layer, modify in particular the chemical composition, the microstructure and therefore the mechanical properties of the sub-layer. from the manufacturing of the coating, then during the use of the blade in the turbine.
  • These inter-diffusion phenomena also modify the chemical composition, the microstructure and consequently the mechanical properties of the superalloy of the substrate under the coating.
  • a secondary reaction zone can thus form in the superalloy under the sub-layer to a depth of several tens, or even hundreds, of micrometers.
  • the mechanical characteristics of this ZRS are significantly lower than those of the substrate superalloy.
  • the formation of ZRS is undesirable because it leads to a significant reduction in the mechanical strength of the superalloy by facilitating the initiation of cracks at grain boundaries and interfaces, which is all the more critical at the level of the thin walls of the turbine blades. .
  • a first aspect of the present presentation concerns a process for applying a coating, which can be used even inside small cavities, and which makes it possible to protect a nickel-based superalloy substrate from oxidation and corrosion. even in aggressive environments, and in particular at very high temperatures, without mechanically weakening this substrate.
  • the method according to this first aspect comprises at least a first chemical vapor deposition step, for depositing chromium and/or cobalt on a surface of the substrate, and a second chemical vapor deposition step. , after at least partial diffusion, in an underlying layer of the substrate, chromium and/or cobalt deposited during the first chemical vapor deposition step, to introduce aluminum into said underlying layer of the substrate.
  • the nickel-based superalloy subject to this coating application process may comprise at least 3% by weight of rhenium.
  • Rhenium makes it possible to slow down the diffusion of chemical species within the superalloy and to limit the coalescence of the y' phase precipitates during service at high temperatures, to thus improve the resistance of the superalloy to creep at high temperatures, but presents the disadvantage of facilitating, with conventional coatings, the formation of secondary reaction zones with the coating, in an underlying layer. With the coating deposition process according to the first aspect, it is possible to avoid this disadvantage of rhenium in the nickel-based superalloy.
  • the first chemical vapor deposition step can form a surface layer with a thickness of between 5 and 20 ⁇ m. This thickness makes it possible to obtain satisfactory protection against corrosion and oxidation without unduly encumbering narrow cooling channels.
  • the aluminum can be doped with silicon and/or at least one rare earth, such as for example hafnium, yttrium or zirconium, in order to further increase the resistance. to oxidation.
  • first and/or second chemical vapor deposition step it is in particular possible to use any one of the plasma-enhanced chemical vapor deposition processes (in English: “Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition”). " or PECVD), low pressure chemical vapor deposition (in English: “Low Pressure Chemical Vapor Deposition” or LPCVD), chemical vapor deposition under ultra-high vacuum (in English: “Ultra-High Vacuum Chemical Vapor Deposition » or UHVCVD) and atomic layer chemical vapor deposition (in English: “Atomic Layer Chemical Vapor Deposition” or ALCVD).
  • PECVD plasma-enhanced chemical vapor deposition processes
  • low pressure chemical vapor deposition in English: “Low Pressure Chemical Vapor Deposition” or LPCVD
  • chemical vapor deposition under ultra-high vacuum in English: “Ultra-High Vacuum Chemical Vapor Deposition » or UHVCVD
  • atomic layer chemical vapor deposition in English: “Atomic Layer
  • the first and/or the second chemical vapor deposition step may be low pressure chemical vapor deposition, thus taking place at a temperature of between 900 and 1150° C., for example between 1000 and 1100°C, and at a pressure of between 2 and 50 kPa.
  • the first chemical vapor deposition step can be carried out at a temperature of between 1040 and 1060° C. and at a pressure of between 5 and 20 kPa or at a pressure of between 15 and 25 kPa, preferably between 18 and 22 kPa
  • the second chemical vapor deposition step is carried out at a temperature of between 1050 and 1070°C and at a pressure of approximately 20 kPa.
  • a second aspect of the present presentation concerns a turbine blade made of nickel-based superalloy with a coating applied according to the process of the first aspect.
  • this blade may comprise one or more cooling channels, and the coating be applied inside the cooling channels, which is facilitated by the use of chemical vapor deposition steps.
  • a third aspect of the present presentation concerns a turbomachine comprising the turbine blade according to the second aspect.
  • the turbomachine may in particular be a fan turbojet (in English: “turbofan”).
  • Other types of turbomachine such as for example a turboprop, a turboshaft engine, or a single-flow turbojet (in English: “turbojet”).
  • Figure 1 is a schematic view in longitudinal section of a turbomachine.
  • Figure 2 schematically illustrates a turbine blade of the turbomachine of Figure 1, with cooling channels.
  • Figure 3 schematically illustrates a nickel-based superalloy substrate with a layer of metal deposited on the surface of the substrate during a first chemical vapor deposition step.
  • Figure 4 schematically illustrates the nickel-based superalloy substrate after diffusion, in an underlying layer of the substrate, of the metal deposited during the first chemical vapor deposition step.
  • Figure 5 schematically illustrates the nickel-based superalloy substrate with a layer of aluminum deposited on the surface of the substrate during a second chemical vapor deposition step.
  • Single-crystal nickel-based superalloys consist of precipitates y' Ni 3 (AI, Ti, Ta) dispersed in a matrix y of cubic structure with centered feces, solid solution based on nickel, and have mechanical properties, particularly at high temperatures, which make them interesting candidates for the manufacture of monocrystalline parts intended for the hot parts of turbojet engines.
  • These superalloys may in particular have rhenium concentrations equal to or greater than 3% by weight in order to slow down the diffusion of chemical species within the superalloy and to limit the coalescence of phase y' precipitates during service at high temperatures, a phenomenon which causes a reduction in mechanical resistance. Rhenium thus makes it possible to improve the creep resistance at high temperatures of the nickel-based superalloy.
  • these nickel-based superalloys can be intended for the manufacture of single-crystal blades by a directed solidification process in a thermal gradient.
  • the use of a monocrystalline seed or a grain selector at the start of solidification makes it possible to obtain this monocrystalline structure, oriented for example in a crystallographic direction ⁇ 001> which is the orientation which confers, in general, the properties optimal mechanics of superalloys.
  • Figure 1 represents, in section along a vertical plane passing through its main axis A, a fan turbojet 10.
  • a fan turbojet 10 can comprise, from upstream to downstream depending on the circulation of the air flow, a blower 12, a low pressure compressor 14, a high pressure compressor 16, a combustion chamber 18, a high pressure turbine 20, and a low pressure turbine 22.
  • the high pressure turbine 20 may comprise a plurality of blades 20A rotating with the rotor and fixed blades 20B, also called rectifiers, mounted on the stator.
  • the stator of the turbine 20 may comprise a plurality of stator rings 24 arranged opposite the rotating blades 20A of the turbine 20.
  • a blade 20A, 20B for a turbomachine comprising a nickel-based superalloy.
  • those prevailing within the hot parts of turbomachines may require cooling of the 20A blades, 20B.
  • such a blade 20A, 20B may include internal cavities, in particular in the form of cooling channels 21, to allow the circulation of a cooling fluid such as, for example, air taken from the compressors 14, 16.
  • the width of the cooling channels 21 is however restricted by the shape and dimensions of these blades 20A, 20B, and can be of the order of a tenth of a millimeter, that is to say a hundred of micrometers.
  • a coating can be applied to this surface following a process comprising two consecutive stages of chemical vapor deposition. These two consecutive steps can be carried out in the same chemical vapor deposition device.
  • chromium can be deposited, for example at a temperature of between 1040 and 1060°C and at a pressure of between 15 and 25 kPa, preferably between 18 and 22 kPa, on the surface of this nickel-based superalloy substrate 100, as illustrated in Figure 3, to form a surface layer 101, superimposed on the substrate 100, with a thickness ei of, for example, between 5 and 20 pm.
  • Cobalt can, however, be deposited alternatively or in addition to chromium during this first chemical vapor deposition step.
  • the chromium and/or cobalt deposited during the first chemical vapor deposition step can then diffuse into the substrate 100, to form an underlying layer 102, rich in chromium and/or cobalt and poor in rhenium. .
  • this underlying layer 102 after a first step of chemical deposition of chromium in the vapor phase on a substrate 100 in CMSX-4 Plus Mod C ® superalloy and the subsequent diffusion of this chromium in the underlying layer 102, this underlying layer 102, being able to have a thickness 62 normally less than the initial thickness ei of the surface layer 101 before diffusion, as illustrated in Figure 4, can have a composition, in mass percentages, of 40 to 55% of nickel, 10 to 30% of chromium, 7 to 8% cobalt, 1 to 2% aluminum, and practically no rhenium, this having been displaced from this underlying layer 102 by the chromium.
  • This diffusion can in particular be facilitated by a heat treatment, for example at a temperature greater than 1000°C and a pressure of between 10 -3 and 10 -4 Pa for up to 4 hours or under a partial pressure of a neutral gas such as Argon of between 0.1 to 1 Pa for 2 at 4 a.m.
  • a heat treatment for example at a temperature greater than 1000°C and a pressure of between 10 -3 and 10 -4 Pa for up to 4 hours or under a partial pressure of a neutral gas such as Argon of between 0.1 to 1 Pa for 2 at 4 a.m.
  • the diffusion of chromium and/or cobalt in the underlying layer 102 can be followed by the second chemical vapor deposition step.
  • this second chemical vapor deposition step which can take the form of a “flash” type aluminization, and which can for example be carried out at a temperature of between 900 and 1150° C, in particular between 1050 and 1070 °C, at a pressure of between 2 and 50 kPa, for example at approximately 20 kPa, and/or for a period of between 30 minutes and 8 hours, in particular between 30 and 60 minutes, aluminum can be introduced up into the underlying layer 102, as illustrated in Figure 5, where it can reach a concentration of 5 to 12% by weight.
  • the concentration of aluminum could even reach up to 20%.
  • This aluminum in the surface 101 and underlying 102 layers can then, in service, form alumina, thus helping to protect the other alloy elements.
  • the aluminum can be deposited pure or doped with silicon and/or one or more rare earths, such as for example hafnium, yttrium or zirconium, which can thus reach each mass concentrations of, for example 0.5 to 2% in the surface layers 101 and underlying layers 102.
  • the part forming the substrate 100 is extracted, before the second chemical vapor deposition step, from an enclosure in which the first chemical deposition step has been carried out, in particular if said first and second steps chemical vapor deposition must be carried out in two different enclosures to meet industrial constraints.
  • the heat treatment for the diffusion, towards the underlying layer 102, of the chromium and/or cobalt deposited during the first chemical vapor deposition step could be carried out in an enclosure used for the second stage of chemical vapor deposition, during its rise in temperature prior to the implementation of the second stage of chemical vapor deposition.
  • first and second chemical vapor deposition steps could be carried out in the same enclosure, maintained at the required temperature and pressure for the appropriate time for the heat treatment used for diffusion, in the interval between the first and second chemical vapor deposition steps.

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Abstract

La présente invention concerne un procédé d'application de revêtement sur un substrat (100) en superalliage à base de nickel, ainsi qu'une aube de turbine en superalliage à base de nickel avec un revêtement appliqué suivant ce procédé. Le procédé d'application de revêtement comprend au moins une première étape de dépôt chimique en phase vapeur, pour déposer du chrome et/ou du cobalt sur une surface du substrat (100), et une deuxième étape de dépôt chimique en phase vapeur, après diffusion au moins partielle, dans une couche sous-jacente (102) du substrat (100), du chrome et/ou du cobalt déposés lors de la première étape de dépôt chimique en phase vapeur, pour déposer de l'aluminium sur la couche sous- jacente (102) du substrat (100).

Description

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Description
Titre de l'invention : Procédé d'application de revêtement et aube de turbine avec revêtement appliqué suivant ce procédé
Domaine Technique
[0001] Le présent exposé concerne un procédé d’application de revêtement sur un substrat en superalliage à base de nickel, ainsi qu’une aube de turbine en superalliage à base de nickel avec un revêtement appliqué suivant ce procédé. On entend, par superalliage à base de nickel, un superalliage dont le pourcentage massique en nickel est majoritaire. On comprend que le nickel est donc l’élément dont le pourcentage massique est le plus élevé.
Technique antérieure
[0002] Il est connu d'utiliser des superalliages à base de nickel pour les parties chaudes de turbines à gaz pour moteurs d’avion ou d’hélicoptère et notamment pour la fabrication d’aubes monocristallines fixes ou mobiles.
[0003] Ces matériaux ont pour principaux avantages de combiner à la fois une résistance au fluage élevée à haute température ainsi qu’une résistance à l’oxydation et à la corrosion.
[0004] Au cours du temps, les superalliages à base de nickel pour aubes monocristallines ont subi d’importantes évolutions de composition chimique, dans le but notamment d’améliorer leurs propriétés en fluage à haute température tout en conservant une résistance à l’environnement très agressif dans lesquels ces superalliages sont utilisés. Ces superalliages comprennent une matrice austénitique de structure cubique à faces centrées, solution solide à base de nickel, dite phase gamma (« y »), avec des précipités de phase durcissante gamma prime (« y’ ») de structure cubique ordonnée L12 de type Ni3Al L’ensemble (matrice et précipités) est donc décrit comme un superalliage y/y’. En général, à température ambiante, ces superalliages contiennent une forte proportion de précipités de phase y’, environ 60 à 70% massique.
[0005] Par ailleurs, des revêtements métalliques adaptés à ces superalliages ont été développés afin d’augmenter leur résistance à l’environnement agressif dans lequel ils sont utilisés, notamment la résistance à l’oxydation et la résistance à la corrosion. De plus, un revêtement céramique de faible conductivité thermique, remplissant une fonction de barrière thermique, peut être ajouté pour réduire la température à la surface du métal.
[0006] Typiquement, un système de protection complet comporte au moins deux couches. La première couche, aussi appelée sous-couche ou couche de liaison, est directement déposée sur la pièce à protéger en superalliage à base de nickel, aussi appelée substrat, par exemple une aube. L'étape de dépôt est suivie d’une étape de diffusion de la sous-couche dans le superalliage. Le dépôt et la diffusion peuvent également être réalisés lors d’une seule étape. Les matériaux généralement utilisés pour réaliser cette sous-couche comprennent des alliages métalliques aluminoformeurs de type MCrAlY (M = Ni (nickel) ou Co (cobalt)) ou un mélange de Ni et de Co, Cr = chrome, Al = aluminium et Y = yttrium, ou des alliages de type aluminiure de nickel (NixAly), certains contenant également du platine (NixAlyPtz). La deuxième couche, généralement appelée barrière thermique ou « TBC » conformément à l’acronyme anglais pour « Thermal Barrier Coating », est un revêtement céramique comprenant par exemple de la zircone yttriée, aussi appelée « YSZ » conformément à l’acronyme anglais pour « Yttria Stabilized Zirconia » ou « YPSZ » conformément à l’acronyme anglais pour « Yttria Partially Stabilized Zirconia » et présentant une structure poreuse. Cette couche peut être déposée par différents procédés, tels que l’évaporation sous faisceau d’électrons (« EB-PVD » conformément à l’acronyme anglais pour « Electron Beam Physical Vapor Deposition »), la projection thermique (« APS » conformément à l’acronyme anglais pour « Atmospheric Plasma Spraying » ou « SPS » conformément à l’acronyme anglais pour « Suspension Plasma Spraying »), ou tout autre procédé permettant d’obtenir un revêtement céramique poreux à faible conductivité thermique.
[0007] Du fait de l’utilisation de ces matériaux à haute température, par exemple de 650°C à 1250°C, il se produit des phénomènes d’inter-diffusion à l’échelle microscopique entre le superalliage à base de nickel du substrat et l’alliage métallique de la sous-couche. Ces phénomènes d’inter-diffusion, associés à l’oxydation de la sous-couche, modifient notamment la composition chimique, la microstructure et par conséquent les propriétés mécaniques de la sous-couche dès la fabrication du revêtement, puis pendant l’utilisation de l’aube dans la turbine. Ces phénomènes d’inter-diffusion modifient également la composition chimique, la microstructure et par conséquent les propriétés mécaniques du superalliage du substrat sous le revêtement. Dans les superalliages très chargés en éléments réfractaires, notamment en rhénium, il peut ainsi se former dans le superalliage sous la sous-couche une zone de réaction secondaire (ZRS) sur une profondeur de plusieurs dizaines, voire centaines, de micromètres. Les caractéristiques mécaniques de cette ZRS sont nettement inférieures à celles du superalliage du substrat. La formation de ZRS est indésirable car elle conduit à une réduction significative de la résistance mécanique du superalliage en facilitant l’initiation de fissures aux joints de grains et interfaces, ce qui est d’autant plus critique au niveau des parois minces des aubes de turbine.
[0008] Afin d’éviter ce problème, des procédés ont été proposés, notamment dans les fascicules de demande de brevet français FR 3201 643 A1 et FR 3 113260 A1 pour appliquer par dépôt physique en phase vapeur, sur des superalliages à base de nickel, des revêtements protecteurs plus compatibles avec les teneurs élevées en rhénium. Toutefois, il peut être difficile d’utiliser ces procédés pour l’application d’un tel revêtement protecteur dans des cavités internes de faibles dimensions, telles que par exemple les canaux de refroidissement des aubes de turbine, qui peuvent pourtant aussi être exposées à la corrosion et à l’oxydation.
Exposé de l’invention
[0009] Un premier aspect du présent exposé concerne un procédé d’application de revêtement, utilisable même à l’intérieur de cavités de faibles dimensions, et permettant de protéger un substrat en superalliage à base de nickel de l’oxydation et de la corrosion même dans des environnements agressifs, et notamment aux très hautes températures, sans pour autant affaiblir mécaniquement ce substrat.
[0010] Pour cela, le procédé suivant ce premier aspect comprend au moins une première étape de dépôt chimique en phase vapeur, pour déposer du chrome et/ou du cobalt sur une surface du substrat, et une deuxième étape de dépôt chimique en phase vapeur, après diffusion au moins partielle, dans une couche sous-jacente du substrat, du chrome et/ou du cobalt déposés lors de la première étape de dépôt chimique en phase vapeur, pour introduire de l’aluminium jusque dans ladite couche sous-jacente du substrat.
[0011] La diffusion du chrome et/ou cobalt dans la couche sous-jacente du substrat après son dépôt chimique en phase vapeur permet de modifier la microstructure du superalliage dans cette couche sous-jacente, et notamment d’en déplacer le rhénium susceptible de former une zone de réaction secondaire. Le dépôt subséquent d’aluminium permet d’augmenter la concentration d’aluminium dans cette couche sous-jacente, pour éventuellement atteindre entre 5 et 12 % en masse lors de la deuxième étape de dépôt chimique en phase vapeur, et former ainsi un revêtement alumino-formeur de structures de phase 0 ou combinant des phases 0, y et y’. Ce revêtement permet d'offrir une bonne protection environnementale au substrat en superalliage, et cela même dans des passages de dimensions restreintes, comme par exemple des canaux de refroidissement avec une largeur de l’ordre de la centaine de micromètres. Le dépôt chimique en phase vapeur permet aussi d’atteindre avec ce traitement des interstices d’accès difficile.
[0012] Le superalliage à base de nickel sujet à ce procédé d’application de revêtement peut comprendre au moins 3 % massique de rhénium. Le rhénium permet en effet de ralentir la diffusion des espèces chimiques au sein du superalliage et de limiter la coalescence des précipités de phase y’ en cours de service à haute température, pour ainsi améliorer la résistance du superalliage au fluage à haute température, mais présente l'inconvénient de faciliter, avec des revêtements conventionnels, la formation de zones de réaction secondaire avec le revêtement, dans une couche sous-jacente. Avec le procédé de dépôt de revêtement suivant le premier aspect, il est possible d’éviter cet inconvénient du rhénium dans le superalliage à base de nickel.
[0013] La première étape de dépôt chimique en phase vapeur peut former une couche superficielle avec une épaisseur d’entre 5 et 20 μm. Cette épaisseur permet d’obtenir une protection satisfaisante contre la corrosion et l’oxydation sans encombrer indûment des canaux de refroidissement étroits. [0014] Lors de la deuxième phase de dépôt chimique, l’aluminium peut être dopé avec du silicium et/ou au moins une terre rare, comme par exemple le hafnium, l’yttrium ou le zirconium, afin d’augmenter encore la tenue à l’oxydation.
[0015] Pour la première et/ou la deuxième étape de dépôt chimique en phase vapeur il est notamment envisageable d’utiliser un quelconque parmi les procédés de dépôt chimique en phase vapeur amélioré par plasma (en anglais : « Plasma- Enhanced Chemical Vapor Deposition » ou PECVD), dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (en anglais : « Low Pressure Chemical Vapor Deposition » ou LPCVD), dépôt chimique en phase vapeur sous vide ultra-élevé (en anglais : « Ultra-High Vacuum Chemical Vapor Deposition » ou UHVCVD) et dépôt chimique en phase vapeur de couche atomique (en anglais : « Atomic Layer Chemical Vapor Deposition » ou ALCVD). En particulier, la première et/ou la deuxième étape de dépôt chimique en phase vapeur peuvent être des dépôts chimiques en phase vapeur à basse pression, s’effectuant ainsi à une température d’entre 900 et 1150°C, par exemple d’entre 1000 et 1100°C, et à une pression d’entre 2 et 50 kPa. Plus particulièrement, la première étape de dépôt chimique en phase vapeur peut s’effectuer à une température d’entre 1040 et 1060°C et à une pression d’entre 5 et 20 kPa ou à une pression d’entre 15 et 25 kPa, de préférence entre 18 et 22 kPa, tandis que la deuxième étape de dépôt chimique en phase vapeur s’effectue à une température d’entre 1050 et 1070°C et à une pression d’environ 20 kPa.
[0016] Un deuxième aspect du présent exposé concerne une aube de turbine en superalliage à base de nickel avec un revêtement appliqué suivant le procédé du premier aspect. En particulier, cette aube peut comporter un ou plusieurs canaux de refroidissement, et le revêtement être appliqué à l’intérieur des canaux de refroidissement, ce qui est facilité par l’utilisation d’étapes de dépôt chimique en phase vapeur.
[0017] Un troisième aspect du présent exposé concerne une turbomachine comprenant l'aube de turbine suivant le deuxième aspect. La turbomachine peut notamment être un turboréacteur à soufflante (en anglais : « turbofan »). D’autres types de turbomachine, comme par exemple un turbopropulseur, un turbomoteur, ou un turboréacteur à simple flux (en anglais : « turbojet »). Brève description des dessins
[0018] Les caractéristiques et avantages précités, ainsi que d'autres, apparaîtront à la lecture de la description suivante de modes de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux figures annexées.
[0019] [Fig. 1] La figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d’une turbomachine.
[0020] [Fig. 2] La figure 2 illustre schématiquement une aube de turbine de la turbomachine de la figure 1 , avec des canaux de refroidissement.
[0021] [Fig. 3] La figure 3 illustre schématiquement un substrat en superalliage à base de nickel avec une couche de métal déposée sur la surface du substrat lors d’une première étape de dépôt chimique en phase vapeur.
[0022] [Fig. 4] La figure 4 illustre schématiquement le substrat en superalliage à base de nickel après diffusion, dans une couche sous-jacente du substrat, du métal déposé lors de la première étape de dépôt chimique en phase vapeur.
[0023] [Fig. 5] La figure 5 illustre schématiquement le substrat en superalliage à base de nickel avec une couche d’aluminium déposée sur la surface du substrat lors d’une deuxième étape de dépôt chimique en phase vapeur.
Description détaillée
[0024] Les superalliages monocristallins à base de nickel sont constitués de précipités y' Ni3(AI, Ti, Ta) dispersés dans une matrice y de structure cubique à feces centrées, solution solide à base de nickel, et présentent des propriétés mécaniques, en particulier à haute température, qui en font des candidats intéressants pour la fabrication de pièces monocristallines destinées aux parties chaudes des turboréacteurs. Ces superalliages peuvent notamment avoir des concentrations de rhénium égales ou supérieures à 3 % massique afin de ralentir la diffusion des espèces chimiques au sein du superalliage et de limiter la coalescence des précipités de phase y’ en cours de service à haute température, phénomène qui entraîne une réduction de la résistance mécanique. Le rhénium permet ainsi d’améliorer la résistance au fluage à haute température du superalliage à base de nickel. On compte notamment, parmi les superalliages à base de nickel aussi riches en rhénium, le CMSX-4 Plus Mod C ®, CMSX-10 ®, et MC-NG. Ces alliages présentent les compositions suivantes, où le complément à 100 % est constitué par du nickel et des impuretés inévitables:
[0025] [Tableau 1]
[0026] En particulier, ces superalliages à base de nickel peuvent être destinés à la fabrication d'aubes monocristallines par un procédé de solidification dirigée dans un gradient thermique. L’utilisation d’un germe monocristallin ou d’un sélecteur de grain en début de solidification permet d’obtenir cette structure monocristalline, orientée par exemple selon une direction cristallographique <001 > qui est l'orientation qui confère, en général, les propriétés mécaniques optimales aux superalliages.
[0027] La figure 1 représente, en coupe selon un plan vertical passant par son axe principal A, un turboréacteur à soufflante 10. Un tel turboréacteur à soufflante 10 peut comporter, d’amont en aval selon la circulation du flux d’air, une soufflante 12, un compresseur basse pression 14, un compresseur haute pression 16, une chambre de combustion 18, une turbine haute pression 20, et une turbine basse pression 22.
[0028] La turbine haute pression 20 peut comprendre une pluralité d'aubes 20A tournant avec le rotor et des aubes 20B fixes, appelées aussi redresseurs, montées sur le stator. Le stator de la turbine 20 peut comprendre une pluralité d’anneaux 24 de stator disposés en vis-à-vis des aubes tournantes 20A de la turbine 20.
[0029] On peut donc fabriquer une aube 20A, 20B pour turbomachine comprenant un superalliage à base de nickel. Néanmoins, malgré la bonne tenue de ces superalliages aux hautes températures, celles régnant au sein des parties chaudes de turbomachines peuvent nécessiter le refroidissement des aubes 20A, 20B. Pour assurer ce refroidissement, une telle aube 20A, 20B peut comporter des cavités internes, notamment sous la forme de canaux de refroidissement 21 , pour permettre la circulation d'un fluide de refroidissement tel que, par exemple, de l’air prélevé sur les compresseurs 14, 16. La largeur des canaux de refroidissement 21 est toutefois restreinte par la forme et les dimensions de ces aubes 20A, 20B, et peut être de l’ordre du dixième de millimètre, c’est-à-dire de la centaine de micromètres.
[0030] Afin de protéger de l’oxydation et de la corrosion la surface du superalliage autour de ces cavités, un revêtement peut être appliqué sur cette surface suivant un procédé comprenant deux étapes consécutives de dépôt chimique en phase vapeur. Ces deux étapes consécutives peuvent être réalisées dans le même dispositif de dépôt chimique en phase vapeur. Dans une première étape de dépôt chimique en phase vapeur, du chrome peut être déposé, par exemple à une température d’entre 1040 et 1060°C et à une pression d’entre 15 et 25 kPa, de préférence entre 18 et 22 kPa, sur la surface de ce substrat 100 en superalliage à base de nickel, comme illustré sur la figure 3, pour former une couche superficielle 101, superposée au substrat 100, avec une épaisseur ei de, par exemple, entre 5 et 20 pm. Du cobalt peut toutefois être déposé alternativement ou en complément au chrome lors de cette première étape de dépôt chimique en phase vapeur.
[0031] Le chrome et/ou cobalt déposés pendant la première étape de dépôt chimique en phase vapeur peuvent ensuite se diffuser dans le substrat 100, pour y former une couche sous-jacente 102, riche en chrome et/ou cobalt et pauvre en rhénium. Ainsi, après une première étape de dépôt chimique de chrome en phase vapeur sur un substrat 100 en superalliage CMSX-4 Plus Mod C ® et la diffusion subséquente de ce chrome dans la couche sous-jacente 102, cette couche sous-jacente 102, pouvant avoir une épaisseur 62 normalement inférieure à l’épaisseur initiale ei de la couche superficielle 101 avant la diffusion, comme illustré sur la figure 4, peut présenter une composition, en pourcentages massiques, de 40 à 55 % de nickel, 10 à 30 % de chrome, 7 à 8 % de cobalt, 1 à 2 % d’aluminium, et pratiquement aucun rhénium, celui-ci ayant été déplacé de cette couche sous-jacente 102 par le chrome. Cette diffusion peut notamment être facilitée par un traitement thermique, par exemple à une température supérieure à 1000°C et une pression d'entre 10-3 et 10-4 Pa jusqu’à 4 heures ou sous une pression partielle d’un gaz neutre tel que l’Argon d’entre 0,1 à 1 Pa pendant 2 à 4h. Pendant ce traitement thermique, bien que des éléments de la couche sous-jacente 102 du substrat 100 peuvent aussi remonter vers la couche superficielle 101 pendant ce traitement thermique pour y remplacer du cuivre et/ou du cobalt diffusé vers la couche superficielle, l’épaisseur de la couche superficielle 101 peut diminuer sensiblement.
[0032] La diffusion du chrome et/ou du cobalt dans la couche sous-jacente 102 peut être suivie de la deuxième étape de dépôt chimique en phase vapeur. Dans cette deuxième étape de dépôt chimique en phase vapeur, qui peut prendre la forme d’une aluminisation de type « flash », et qui peut par exemple être effectuée à une température d’entre 900 et 1150° C, notamment entre 1050 et 1070°C, à une pression comprise entre 2 et 50 kPa, par exemple à environ 20 kPa, et/ou pendant une durée d’entre 30 minutes et 8 heures, en particulier entre 30 et 60 minutes, de l’aluminium peut être introduit jusque dans la couche sous-jacente 102, comme illustré sur la figure 5, où il pourra atteindre une concentration de 5 à 12 % massique. Dans la couche superficielle 101, la concentration de l'aluminium pourrait même atteindre jusqu’à 20%. Cet aluminium dans les couches superficielle 101 et sous-jacente 102 pourra ensuite, en service, former de l’alumine, contribuant ainsi à protéger les autres éléments d’alliage. Dans la deuxième étape de dépôt physique en phase vapeur, l'aluminium peut être déposé pur ou dopé avec du silicium et/ou une ou plusieurs terres rares, comme par exemple le hafnium, l’yttrium ou le zirconium, qui pourront ainsi atteindre chacun des concentrations massiques de, par exemple 0,5 à 2% dans les couches superficielle 101 et sous-jacente 102.
[0033] Il est envisageable que la pièce formant le substrat 100 soit extraite, avant la deuxième étape de dépôt chimique en phase vapeur, d'une enceinte dans laquelle la première étape de dépôt chimique a été effectuée, notamment si lesdites première et deuxième étapes de dépôt chimique en phase vapeur doivent être effectuées dans deux enceintes différentes pour répondre à des contraintes industrielles. Dans ce cas, le traitement thermique pour la diffusion, vers la couche sous-jacente 102, du chrome et/ou du cobalt déposés lors de la première étape de dépôt chimique en phase vapeur pourrait être effectué dans une enceinte servant à la deuxième étape de dépôt chimique en phase vapeur, pendant sa montée en température préalable à la mise en œuvre de la deuxième étape de dépôt chimique en phase vapeur.
[0034] Alternativement toutefois, les première et deuxième étapes de dépôt chimique en phase vapeur pourraient être effectuées dans une même enceinte, maintenue à la température et à la pression requises pendant le temps approprié pour le traitement thermique servant à la diffusion, dans l’intervalle entre les première et deuxième étapes de dépôt chimique en phase vapeur.
[0035] Quoique le présent exposé ait été décrit en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En outre, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation évoqués peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Procédé d'application de revêtement sur un substrat (100) en superalliage à base de nickel, le procédé comprenant au moins : une première étape de dépôt chimique en phase vapeur, pour déposer du chrome et/ou du cobalt sur une surface du substrat (100), et une deuxième étape de dépôt chimique en phase vapeur, après diffusion au moins partielle, dans une couche sous-jacente (102) du substrat (100), du chrome et/ou du cobalt déposés lors de la première étape de dépôt chimique en phase vapeur, pour introduire de l'aluminium jusque dans ladite couche sous- jacente (102) du substrat (100).
[Revendication 2] Procédé suivant la revendication 1, dans lequel le superalliage à base de nickel comprend au moins 3 % massique de rhénium.
[Revendication 3] Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel la première étape de dépôt chimique en phase vapeur forme une couche superficielle (101) avec une épaisseur (e1) d'entre 5 et 20 pm.
[Revendication 4] Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l'aluminium atteint une concentration d'entre 5 et 12% massique dans ladite couche sous-jacente (102) lors de la deuxième étape de dépôt chimique en phase vapeur.
[Revendication 5] Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel, lors de la deuxième phase de dépôt chimique, l'aluminium est dopé avec du silicium et/ou au moins une terre rare.
[Revendication 6] Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la première et/ou la deuxième étape de dépôt chimique en phase vapeur s'effectuent à une température d'entre 900 et 1150°C et à une pression d'entre 2 et 50 kPa.
[Revendication 7] Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la première étape de dépôt chimique en phase vapeur s'effectue à une température d'entre 1040 et 1060°C et à une pression d'entre 15 et 25 kPa, de préférence entre 18 et 22 kPa.
[Revendication 8] Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la deuxième étape de dépôt chimique en phase vapeur s'effectue à une température d'entre 1050 et 1070°C et à une pression d'environ 20 kPa.
[Revendication 9] Aube de turbine (20A, 20B) en superalliage à base de nickel avec un revêtement appliqué suivant le procédé de l'une quelconque des revendications 1 à 8.
[Revendication 10] Aube de turbine (20A, 20B) suivant la revendication 9, comportant un ou plusieurs canaux de refroidissement (21), et dans laquelle le revêtement est appliqué à l'intérieur des canaux de refroidissement (21).
[Revendication 11] Turbomachine comprenant l'aube de turbine (20A, 20B) de l'une quelconque des revendications 9 ou 10.
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