FR2638156A1 - ARTICLE COMPRISING A PROTECTIVE COATING AND PREPARATION METHOD - Google Patents
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Abstract
Un système de revêtement tel qu'un système de barrière thermique 14 utilise une surface 12 de substrat à laquelle on a donné une rugosité déterminée, pour constituer une surface de liaison et d'accrochage pour le revêtement. La surface est caractérisée par le fait qu'elle comporte des cavités à profil déchiqueté qui s'étendent dans le substrat 10 sur au moins 15 mum, en moyenne arithmétique. La rugosité de la surface du substrat est obtenue de préférence par usinage électrochimique ou attaque chimique. Le matériau du substrat 10 peut consister en un superalliage et le matériau du revêtement 14 peut consister en oxyde de zirconium stabilisé avec un autre oxyde.A coating system such as a thermal barrier system 14 uses a surface 12 of substrate to which a specific roughness has been given, to constitute a bonding and attachment surface for the coating. The surface is characterized by the fact that it has cavities with a shredded profile which extend in the substrate 10 over at least 15 mm, on arithmetic average. The roughness of the surface of the substrate is preferably obtained by electrochemical machining or chemical attack. The material of the substrate 10 may consist of a superalloy and the material of the coating 14 may consist of zirconium oxide stabilized with another oxide.
Description
ARTICLE COMPORTANT UN REVETEMENT PROTECTEURARTICLE COMPRISING A PROTECTIVE COATING
ET PROCEDE DE PREPARATIONAND PREPARATION PROCESS
L'invention concerne des revêtements protecteurs pour des articles manufacturés métalliques qui sont exposés à des environnements à haute température. Elle porte plus particulièrement sur des revêtements céramiques, par exemple dans un système de revêtement faisant fonction de barrière thermique, qui n'exigent pas une couche de revêtement de The invention relates to protective coatings for metallic manufactured articles which are exposed to high temperature environments. It relates more particularly to ceramic coatings, for example in a coating system acting as a thermal barrier, which do not require a coating layer of
liaison entre la couche céramique et le substrat en métal. bond between the ceramic layer and the metal substrate.
La combinaison des propriétés de céramiques avec les propriétés de métaux, en particulier de superalliages, The combination of the properties of ceramics with the properties of metals, in particular superalloys,
a fait l'objet de recherches scientifiques considérables. has been the subject of considerable scientific research.
Selon un aspect de ces recherches, on a tenté d'obtenir des articles métalliques manufacturés comportant des revêtements According to one aspect of this research, attempts have been made to obtain manufactured metallic articles comprising coatings
céramiques protecteurs, dans le but de eombiner les proprié- protective ceramics, in order to combine the properties
tés thermiques de céramiques avec la ductilité et la résis- ceramic ceramic tees with ductility and resistance
tance mécanique de métaux. Des revêtements céramiques ayant une faible conductivité thermique se comportent comme des barrières thermiques qui isolent et protègent les substrats métalliques sous-jacents vis-à-vis des températures élevées et/ou de conditions oxydantes auxquelles les substrats sont mechanical tance of metals. Ceramic coatings with low thermal conductivity behave like thermal barriers which isolate and protect the underlying metal substrates from the high temperatures and / or oxidizing conditions to which the substrates are
exposés. Du fait de ces propriétés, les revêtements de bar- exposed. Due to these properties, bar coatings
rière thermique sont particulièrement utiles pour protéger are particularly useful for protecting
les composants métalliques d'équipements tels que des mo- metal components of equipment such as mo-
teurs et des générateurs à turbine à gaz. Dans des applica- gas turbine generators and generators. In applications
tions de moteurs d'aéronefs, l'utilisation de revêtements céramiques sur des carénages de turbine à haute pression, et aircraft engine, the use of ceramic coatings on high pressure turbine fairings, and
de revêtements de barrière thermique sur d'autres organes de. thermal barrier coatings on other components.
moteurs, constitue un aspect fondamental de l'évolution en engines, is a fundamental aspect of evolution in
cours visant à l'obtention de températures d'entrée de tur- course aimed at obtaining tur-
bine plus élevées, de rapports poussée/masse accrus et d'une meilleure consommation spécifique de carburant. L'applica- higher bine, increased thrust / mass ratios and better specific fuel consumption. The applica-
tion de tels revêtements sur les organes métalliques en su- tion of such coatings on the metal members above
peralliages qu'on utilise couramment dans des chambres de combustion de moteurs d'aéronefs, des conduits de transition, des chemises de dispositifs de post-combustion, des embases d'aubes et des surfaces aérodynamiques dans divers étages, réduit à la fois la température du substrat en métal et les peralloys commonly used in combustion chambers of aircraft engines, transition conduits, jackets of afterburners, blade bases and aerodynamic surfaces in various stages, both reduces the temperature of the metal substrate and the
effets de transitoires thermiques sur ce dernier. effects of thermal transients on the latter.
Dans le passé, on a souvent appliqué des revêtements In the past, coatings have often been applied
céramiques de barrière thermique par des techniques de pulvé- thermal barrier ceramics by spraying techniques
risation par plasma ou par dépôt en phase vapeur. Pour per- plasma or vapor deposition. To per-
mettre l'adhérence de la couche céramique sur le substrat en métal, il a généralement été nécessaire d'employer une couche de revêtement detransition, ou couche de liaison superposée, put the adhesion of the ceramic layer on the metal substrate, it was generally necessary to use a transition coating layer, or superposed bonding layer,
qui est une couche qu'on fozmeentre le métal et la céramique. which is a layer that fozmeentre metal and ceramic.
Lorsqu'on applique la couche de revêtement de liaison au subs- When applying the bonding coating layer to the
trat en métal, elle procure une protection contre l'oxydation pour le substrat en métal et une couche relativement rugueuse dans laquelle les particules de céramique sont disposées de metal trat, it provides protection against oxidation for the metal substrate and a relatively rough layer in which the ceramic particles are arranged
façon à former une liaison mécanique avec le substrat en mé- so as to form a mechanical bond with the metal substrate
tal. Parmi les compositions de couche de revêtement de liaison tal. Among the tie coating layer compositions
couramment employées, figure la classe de matériauxqu'on ap- commonly used, the class of materials is shown
pelle des alliages MCrAly. De tels alliages ont généralement excavator of MCrAly alloys. Such alloys generally have
une composition qui comprend 5 à 40% de chrome, 3 à 25% d'alu- a composition which comprises 5 to 40% of chromium, 3 to 25% of aluminum
minium, 0,01 à 3% d'yttrium (ou de hafnium, de lanthane, de cérium ou de scandium), et un complément, M, sélectionné dans minimum, 0.01 to 3% yttrium (or hafnium, lanthanum, cerium or scandium), and a complement, M, selected from
le groupe comprenant le fer, le cobalt, le nickel et des mé- the group comprising iron, cobalt, nickel and metals
langes de ceux-ci. Des systèmes de revêtement de barrière thermique utilisant ces types de couches de revêtement de liaison sont bien connus dans la technique, et sont décrits par exemple dans les brevets des E.U.A. suivants: 4 055 705, swaddles of these. Thermal barrier coating systems using these types of tie coating layers are well known in the art, and are described, for example, in U.S. patents. following: 4,055,705,
4 248 940, 4 405 660 et 4 485 151.4,248,940, 4,405,660 and 4,485,151.
Cependant, l'utilisation d'une couche de revêtement However, the use of a coating layer
de liaison dans le système de revêtement de barrière thermi- bonding in the thermal barrier coating system
que limite la température à laquelle on peut soumettre l'ar- that limits the temperature to which the ar
ticle manufacturé revêtu. Un grand nombre des matériaux uti- lisés pour une couche de revêtement de liaison ne peuvent pas supporter une température supérieure à environ 1040 C, alors que la couche de céramique et le substrat en métal peuvent coated manufactured article. Many of the materials used for a bonding coating layer cannot withstand a temperature above about 1040 C, while the ceramic layer and the metal substrate can
supporter des températures notablement plus élevées. Par con- withstand significantly higher temperatures. By con-
séquent, dans l'utilisation d'un tel article manufacturé re- sequent, in the use of such a manufactured item re-
vêtu, la température de la couche de revêtement de liaison limite la température de fonctionnement maximale du système clothed, the temperature of the bonding coating layer limits the maximum operating temperature of the system
de revêtement de barrière thermique. En outre, une telle cou- thermal barrier coating. In addition, such a cost-
che de revêtement de liaison superposée augmente le poids des Che overlapping bond coating increases the weight of
articles manufactures terminés. Le poids accru qui est attri- finished manufactured items. The increased weight that is assigned
buable à la couche de revêtement de liaison est une considé- drinkable at the bond coating layer is a consideration
ration importante, en particulier pour des applications tel- large ration, especially for applications such as
les que des moteurs d'aéronefs. L'inclusion d'une couche de aircraft engines. The inclusion of a layer of
revêtement de liaison dans le système de revêtement de bar- bond coating in the bar coating system
rière thermique exige également des opérations de fabrication supplémentaires, ce qui augmente les cots de fabrication et allonge les séquences de production. De plus, la couche de revêtement de liaison est susceptible fe se dégrader et de faire apparaître des défauts qui peuvent provoquer à leur tour un ébrèchement, un écaillage ou une fissuration de la Thermal production also requires additional manufacturing operations, which increases manufacturing costs and lengthens production sequences. In addition, the bonding coating layer is likely to degrade and to reveal defects which can in turn cause chipping, chipping or cracking of the
couche de céramique qui est fixée sur elle. ceramic layer which is fixed on it.
La présente invention a donc pour but de procurer un système de revêtement de barrière thermique qui n'exige The object of the present invention is therefore to provide a thermal barrier coating system which does not require
pas le type de couche de liaison ou de transition décrit ci- not the type of tie or transition layer described above
dessus, entre le substrat en métal et le revêtement céramique above, between the metal substrate and the ceramic coating
de barrière thermique.thermal barrier.
L'invention a également pour but de procurer un sys- The invention also aims to provide a system
tème de revêtement de barrière thermique qui soit capable de a thermal barrier coating which is capable of
supporter des températures plus élevées que ce qui était pos- withstand higher temperatures than was possible
sible jusqu'à présent pour des systèmes de barrière thermique sible so far for thermal barrier systems
employant de telles couches de revêtement de liaison. using such bonding coating layers.
Un autre but encore de l'invention est de procurer Yet another object of the invention is to provide
un procédé pour appliquer directement des revêtements céra- a process for directly applying ceramic coatings
miques de barrière thermique sur des substrats en métal, sans utiliser des couches de transition ou de liaison. thermal barrier mics on metal substrates, without the use of transition or bonding layers.
Selon un aspect de l'invention, un article manufac- According to one aspect of the invention, a manufac-
turé sur lequel est formé un revêtement protecteur, tel qu'un revêtement de barrière thermique, comprend un substrat métallique ayant au moins une surface rendue rugueuse, dans ground on which a protective coating is formed, such as a thermal barrier coating, comprises a metal substrate having at least one surface roughened, in
laquelle sont formées des cavités au profil déchiqueté, re- which are formed cavities with a shredded profile,
liées les unes aux autres en surface, qui s'étendent dans le linked to each other on the surface, which extend into the
substrat sur au moins 15 pm, en moyenne arithmétique. Un re- substrate over at least 15 µm, arithmetic average. A re-
vêtement céramique de barrière thermique est fixé sur la surface de façon qu'au moins une partie du revêtement se trouve dans les cavités de la surface rugueuse du substrat, sur la ligne d'interface ou de liaison entre eux. Dans un ceramic thermal barrier garment is fixed on the surface so that at least part of the coating is located in the cavities of the rough surface of the substrate, on the interface or connection line between them. In one
mode de réalisation, le substrat consiste en un matériau sé- embodiment, the substrate consists of a dry material
lectionné dans le groupe qui comprend des alliages à base de nickel, à base de cobalt et à base de fer, et le revêtement céramique consiste essentiellement en oxyde de zirconium selected from the group which includes nickel-based, cobalt-based and iron-based alloys, and the ceramic coating consists essentially of zirconium oxide
stabilisé avec un autre oxyde.stabilized with another oxide.
Selon un autre aspect de l'invention, un procédé According to another aspect of the invention, a method
pour revêtir un substrat en métal avec un revêtement protec- for coating a metal substrate with a protective coating
teur tel qu'un matériau de barrière thermique, comprend such as a thermal barrier material, includes
l'opération consistant à rendre rugueuse au moins une surfa- the operation of roughening at least one surface
ce du substrat en métal, de façon que la mesure de la surfa- this of the metal substrate, so that the measurement of the area
ce résultante avec un appareil de mesure de profil donne une valeur d'au moins environ 15 pm, en moyenne arithmétique. On sélectionne une technique commode et préférée pour rendre la surface rugueuse parmi les techniques d'attaque chimique, d'attaque électrochimique et de traitement de surface par laser. On'applique ensuite sur le substrat un revêtement this result with a profile measuring device gives a value of at least about 15 μm, on arithmetic average. A convenient and preferred technique for roughening the surface is selected from the chemical etching, electrochemical etching and laser surface treatment techniques. A coating is then applied to the substrate
protecteur tel qu'un revêtement céramique de barrière ther- protective such as a ceramic barrier coating
mique, de façon qu'au moins une partie du revêtement se trouve à l'intérieur des cavités de la surface rugueuse du mique, so that at least part of the coating is inside the cavities of the rough surface of the
substrat. On peut appliquer le revêtement sur la surface ru- substrate. The coating can be applied to the ru-
gueuse du substrat en employant divers procédés, comme par exemple la pulvérisation par plasma, le dépôt en phase vapeur ou la pulvérisation cathodique. Pour obtenir une composition stoechiométrique de la céramique, on peut chauffer le revête- ment de barrière thermique dans une atmosphère contenant de l'oxygène. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la substrate by employing various methods, such as, for example, plasma spraying, vapor deposition or sputtering. To obtain a stoichiometric composition of the ceramic, the thermal barrier coating can be heated in an oxygen-containing atmosphere. The invention will be better understood on reading the
description qui va suivre de modes de réalisation, donnés à description which follows of embodiments, given at
titre d'exemples non limitatifs. La suite de la description title of nonlimiting examples. The rest of the description
se réfère aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est une coupe partielle agrandie qui représente schématiquement la structize métnlographique d'une partie d'un article manufacturé revêtu conforme à un mode de réalisation de l'invention; La figure 2 est une vue en perspective éclatée qui représente schématiquement un article manufacturé auquel on refers to the appended drawings in which: FIG. 1 is an enlarged partial section which schematically represents the metnlographic structize of part of a coated manufactured article in accordance with an embodiment of the invention; Figure 2 is an exploded perspective view which schematically shows a manufactured item which
doit appliquer un revêtement de barrière thermique, conformé- must apply a thermal barrier coating,
ment à un autre mode de réalisation de l'invention; et ment to another embodiment of the invention; and
La figure 3 est une vue en perspective qui représen- FIG. 3 is a perspective view which represents
te schématiquement l'aspect d'un article manufacturé revêtu d'une barrière thermique, conformément-à l'invention, qui a schematically the appearance of a manufactured article coated with a thermal barrier, in accordance with the invention, which has
été soumis à un test de cycles thermiques. been subjected to a thermal cycle test.
La figure 1 représente schématiquement une coupe avec un grossissement d'environ 32 d'une partie d'un article métallique qui porte un revêtement céramique de barrière Figure 1 shows schematically a section with a magnification of about 32 of a part of a metallic article which carries a ceramic barrier coating
thermique durable, conforme à l'invention. Le substrat métal- durable thermal, according to the invention. The metal substrate-
lique 10 comporte au moins une surface rugueuse 12 sur la- lique 10 has at least one rough surface 12 on the
quelle est fixé un revêtement céramique de barrière thermique 14. Le revêtement 14 est formé sur le substrat 10 de façon which is fixed a ceramic thermal barrier coating 14. The coating 14 is formed on the substrate 10 so
qu'au moins une partie du revêtement 14 soit en contact di- at least part of the coating 14 is in direct contact
rect avec la surface rugueuse 12. Conformément à l'invention, rect with the rough surface 12. According to the invention,
la mesure du profil de la surface rugueuse 12 avec un appa- the measurement of the profile of the rough surface 12 with an apparatus
reil de mesure de profil donne une valeur d'au moins 15 pm,en moyanne arithmétique, et cette surface est caractérisée par le fait qu'elle comporte des cavités au profil déchiqueté, profile measurement reil gives a value of at least 15 μm, in arithmetic mean, and this surface is characterized by the fact that it has cavities with a jagged profile,
comme le montre la figure 1.as shown in figure 1.
Le substrat 10 peut avoir une grande variété de The substrate 10 can have a wide variety of
structures. De façon générale, le substrat 10 peut être cons- structures. In general, the substrate 10 can be constituted
titué par n'importe quelle structure métallique qui bénéficie d'un revêtement adhérent comme un revêtement établissant une titrated by any metallic structure which benefits from an adherent coating as a coating establishing a
barrière thermique. Dans un mode de réalisation particulière- thermal barrier. In a particular embodiment-
ment utile, le substrat 10 est un article qui convient pour mentally useful, substrate 10 is an article suitable for
l'utilisation dans des structures ayant une résistance méca- use in structures with mechanical resistance
nique élevée et une résistance élevée à la température et à la corrosion. Dans un tel mode de réalisation, le substrat 10 high nique and high resistance to temperature and corrosion. In such an embodiment, the substrate 10
comprend un matériau de base sélectionné dans le groupe cons- includes a base material selected from the group cons-
titué par les alliages à base de nickel, à base de cobalt et titrated by alloys based on nickel, based on cobalt and
à base de fer. On trouve dans ce groupe de matériau les compo- based on iron. We find in this group of material the
sitions d'alliages connues sous le nom de superalliagesz du fait de leurs propriétés exceptionnelles à des températures élevées. Pour des applications de moteurs à turbine à gaz, il alloys known as superalloys because of their exceptional properties at elevated temperatures. For gas turbine engine applications, it
est souvent souhaitable que le matériau choisi pour le subs- It is often desirable that the material chosen for the sub-
trat 10 ait une résistance mécanique élevée, ainsi qu'une - trat 10 has high mechanical strength, as well as -
bonne résistance à l'oxydation et a la corrosion à des tempé-- good resistance to oxidation and corrosion at temperatures--
ratures élevées. Le Tableau 1 ci-après donne une liste de com- high erasures. Table 1 below gives a list of
positions d'alliages typiques qui possèdent de telles caracté- typical alloy positions which have such characteristics
ristiques.artistic.
Le matériau qui est choisi pour le revrêtement cérami- The material that is chosen for the ceramic coating
que 14 doit présenter entre autres propriétés, une faible that 14 must have among other properties, a low
conductivité thermique, une adhérence appropriée sur le subs- thermal conductivity, suitable adhesion to the
trat 10 pour la résistance à l'écaillage et à la fissuration sous l'effet de contraintes thermiques, un taux de dilatation thermique aussi proche que possible de celui du substrat 10, et une stabilisation appropriée de la structure cristalline de la céramique, pour minimiser les effets de la dilatation trat 10 for resistance to flaking and cracking under the effect of thermal stresses, a thermal expansion rate as close as possible to that of the substrate 10, and an appropriate stabilization of the crystal structure of the ceramic, to minimize the effects of dilation
en volume résultant d'une transformation structurale. in volume resulting from a structural transformation.
On utilise souvent l'oxyde de zirconium dans des systèmes de revêtement de barrière thermique, du fait qu'il constitue une barrière thermique efficace. On a trouvé que Zirconium oxide is often used in thermal barrier coating systems because it provides an effective thermal barrier. We found that
TABLEAU 1TABLE 1
COMPOSITIONS DE SUPERALLIAGESSUPER ALLOY COMPOSITIONS
Pourcentage nominal en poids, plus impuret6s accidentelles A1Loy Fe Cr AI Ti Y203 Ni C Co Mo W Cb Ta Re Iif B Zr Y Nominal percentage by weight, plus accidental impurities A1Loy Fe Cr AI Ti Y203 Ni C Co Mo W Cb Ta Re Iif B Zr Y
MA956 * 20 4,5 0, 5 0, SMA956 * 20 4.5 0, 5 0, S
Ma754 1 20 0,3 0, 5 0,6 * 0 05os René N4 9,3 3,7 4,2 * 7 5 1,S5 6 0,S 4 René NS 7 6,2 * 0,tOS 7,5 1,5 5 615 3 0,15 40ppu lOOppr René 80 14 3 5 * 0t17 9,5 4 4 4015 0,03 MAR-M-509 22t5 10 0t 6 * 7 3,5 0S5 Note: *= complément à 1OO'4 N Do CO oo Lu o' Ma754 1 20 0.3 0.5 0.6 * 0 05os René N4 9.3 3.7 4.2 * 7 5 1, S5 6 0, S 4 René NS 7 6.2 * 0, tOS 7.5 1.5 5 615 3 0.15 40ppu lOOppr René 80 14 3 5 * 0t17 9.5 4 4 4015 0.03 MAR-M-509 22t5 10 0t 6 * 7 3.5 0S5 Note: * = complement to 1OO ' 4 N Do CO oo Lu o '
pour obtenir une excellente stabilité, l'oxyde de zirconium - to obtain excellent stability, zirconium oxide -
doit être constitué par des mélanges de phases cubiques et must consist of mixtures of cubic phases and
tétragonales. On a en outre établi qu'une stabilisation par- tetragonal. It has also been established that stabilization by-
tielle de l'oxyde de zirconium avec un autre oxyde, comme de l'oxyde d'yttrium, produit ce mélange de phasesdésiré. Le re- vêtement en céramique 14 consiste de préférence en oxyde de zirconium partiellement stabilisé avec entre environ 6% et % en poids d'oxyde d'yttrium. Une proportion inférieure à Zirconium oxide with another oxide, such as yttrium oxide, produces this desired phase mixture. The ceramic coating 14 preferably consists of partially stabilized zirconium oxide with between about 6% and% by weight of yttrium oxide. A proportion lower than
environ 6% en poids d'oxyde d'yttrium ne produit pas la sta- about 6% by weight of yttrium oxide does not produce the sta-
bilisation partielle désirée. Au contraire, une proportion supérieure à environ 20% en poids d'oxyde d'yttrium entraîne une stabilisation totale de l'oxyde de zirconium. Dans de nombreuses applications de revêtement de barrière thermique, il est préférable d'employer entre environ 6% et environ 8% partial mobilization desired. On the contrary, a proportion greater than about 20% by weight of yttrium oxide results in a total stabilization of the zirconium oxide. In many thermal barrier coating applications, it is preferable to use between about 6% and about 8%
en poids d'oxyde d'yttrium.by weight of yttrium oxide.
Au cours d'évaluations initiales de la présente in- During initial assessments of this in-
vention, on a constaté que le degré de rugosité de surface et le caractère de la rugosité, en combinaison, avaient une importance inattendue dans l'aptitude du revêtement céramique superposé à se fixer mécaniquement de façon ferme sur un substrat rugueux. On a noté que des revêtements de liaison, comme celui du type MCrAlY déposé par pulvérisation thermique, avait une rugosité de surface dans la plage d'environ 11,5-14 It has been found that the degree of surface roughness and the character of the roughness, in combination, are of unexpected importance in the ability of the superimposed ceramic coating to be mechanically fixed firmly on a rough substrate. It has been noted that bond coatings, such as that of the MCrAlY type deposited by thermal spraying, have a surface roughness in the range of about 11.5-14
pm, en moyenne arithmétique. Des revêtements céramiques su- pm, arithmetic mean. Ceramic coatings on
perposés ont présenté une bonne adhérence sur une telle sur- perposed presented good grip on such an over-
face au cours de longs cycles de tests thermiques. Cependant, en l'absence d'une telle couche de liaison ou de transition, une rugosité de surface dans des plages inférieures conduisait à une liaison non satisfaisante, Par exemple, le sablage d'une surface donne généralement une rugosité de surface dans la face during long cycles of thermal tests. However, in the absence of such a bonding or transition layer, a surface roughness in lower ranges led to an unsatisfactory bond. For example, sanding a surface generally gives a surface roughness in the
plage d'environ 25-6,5 pm, en moyenne arithmétique. range of about 25-6.5 pm, arithmetic average.
Conte tenu de la nature de la surface, on a reconnu qu'en plus d'un degré de rugosité relativement élevé, mesuré par exemple par un appareil de mesure de profil, la surface doit Given the nature of the surface, it has been recognized that in addition to a relatively high degree of roughness, measured for example by a profile measuring device, the surface must
avoir une configuration "déchiquetée", comme le montre la fi- have a "jagged" configuration, as shown in the figure
gure 1, pour permettre une bonne liaison ou fixation mécani- gure 1, to allow a good connection or mechanical fixing
que entre la surface rugueuse et un revêtement céramique su- between the rough surface and a ceramic coating
perposé. Par exemple, une surface qui a été traitée ou rendue perposed. For example, a surface that has been treated or rendered
rugueuse par usinage par électro-érosion, qui est une techni- rough by EDM machining, which is a techni-
que bien connue, qui a fait l'objet de nombreuses descrip- tions et qui est largement utilisée,a présenté une rugosité that well known, which has been the subject of numerous descriptions and which is widely used, presented a roughness
de surface d'environ 19 pm en moyenne arithmétique. Néan- surface area of about 19 pm on arithmetic average. However
moins, des tests ont montré que d'importantes fissures se dé- less, tests have shown that large cracks
veloppaient le long de sa ligne de liaison avec un revêtement céramique. On pense que ceci résulte de l'état de la couche floated along its connecting line with a ceramic coating. This is believed to result from the state of the layer
refondue sur la surface rugueuse.recast on the rough surface.
Au contraire, une surface qui a été rendue rugueuse par usinage électrochimique, qui est également une technique Rather, a surface that has been roughened by electrochemical machining, which is also a technique
bien connue,qui a fait l'objet de nombreuses descriptions et well known, which has been the subject of numerous descriptions and
qui est largement utilisée pour la rénovation de matériaux which is widely used for renovating materials
mais qui n'est pas spécialement prévue pour rendre une surfa- but which is not specially designed to render a surface
ce rugueuse, a présenté une rugosité de surface dans la plage this rough, presented a surface roughness in the range
de 15 -25 pm (en moyenne arithmétique), et n'a fait apparaî- from 15 -25 pm (arithmetic average), and did not appear-
tre aucune fissure au niveau de la ligne de liaison, dans le même test. Conformément à l'invention, a attribue de tels résultats à la surface comprenant des structures déchiquetées semblables à des dents, représentées sur la figure 1, ainsi qu'à une rugosité de surface d'au moine.environ 15 pm (en be no cracks at the level of the connection line, in the same test. In accordance with the invention, a attributes such results to the surface comprising jagged structures similar to teeth, shown in FIG. 1, as well as to a surface roughness of the monk. Approximately 15 μm (in
moyenne arithmétique).arithmetic average).
Les données du Tableau 2 ci-après sont représentati- The data in Table 2 below are representative
ves des résultats de tests obtenus dans l'évaluation de l'in- results of tests obtained in the evaluation of the
vention.vention.
TABLEAU 2TABLE 2
Tests thermiques cycliques avec l'appareil JETS (2000 cycles) (Céramique supérieure: ZrO2 - 8Y203, 130 pm d'épaisseur) Exemple Echantillon Préparation Rugosité de Résultats de surface surface (d) (pm en moyenne arithmétique) Cyclic thermal tests with the JETS device (2000 cycles) (Upper ceramic: ZrO2 - 8Y203, 130 pm thick) Example Sample Preparation Roughness of Surface surface results (d) (pm in arithmetic mean)
1 Standard Couche de 11,5 - 14 Pas de fis- 1 Standard Layer 11.5 - 14 No cracking
(a) liaison sures sur la ligne de liaison (a) safe link on the link line
2 Pas de cou- Usinage 15 - 24 Pas de fis- 2 No seams - Machining 15 - 24 No seams
che de liai- électro- sures sur son (b) chimique la ligne de liaison 3 Pas de cou- Electro- 19 Fissures che de liai--- érosion importantes che de liai- electro- sures on its (b) chemical connection line 3 No neck- Electro- 19 Cracks che de liai --- significant erosion
son (b) sur la li-sound (b) on the li-
gne de liai-gene of liai-
son 4 Pas de cou- Sablage 2,5 - 6,5 Fissures che de liai- importantes sound 4 No sanding 2.5 - 6.5 Cracks che of liiai- important
son (c) sur la li-sound (c) on the li-
gne de liai-gene of liai-
son (a) Couche de liaison CoNiCrAlY (130 pm)/substrat en alliage René 80 (b) Substrat: alliage MA956 rendu rugueux (brasé sur un contrefort en alliage René 80) 1 1 (c) Substrat: alliage René 80 (d) Examen microscopique périodique avec un grossissement de Dans le Tableau 2 ainsi que dans le Tableau 3 qui suit, on a accompli les tests thermiques cycliques au moyen d'un appareil de chocs thermiques pour réacteurs appelé Jet Engine Thermal Shock (JETS), conçuet construit par la demanderesse, et décrit dans le document MACH 3 Magazine, mars/septembre 1987, publié par G.E. Aircraft Engines, sound (a) CoNiCrAlY bonding layer (130 pm) / René 80 alloy substrate (b) Substrate: MA956 alloy roughened (brazed on a René 80 buttress) 1 1 (c) Substrate: René 80 alloy (d) Periodic microscopic examination with a magnification of In Table 2 as well as in Table 3 which follows, the cyclic thermal tests were carried out by means of a thermal shock device for reactors called Jet Engine Thermal Shock (JETS), designed and constructed by the plaintiff, and described in the document MACH 3 Magazine, March / September 1987, published by GE Aircraft Engines,
Production Operation, "Ceramic Tough New Breed of Shroud". Production Operation, "Ceramic Tough New Breed of Shroud".
L'appareil JETS comprend fondamentalement quatre sections: The JETS device basically has four sections:
(1) une structure de chauffage/refroidissement, (2) un sup- (1) a heating / cooling structure, (2) a sup-
port d'échantillons sous test sur un carrousel vertical, (3) un dispositif électronique de commande de moteur pas à pas et d'indexage, et (4) un équipement de mesure et de contrôle. Un chalumeau oxygène-propane permet un chauffage rapide (en environ 20 secondes) de la face en céramique, sur des échantillons de type bouton de 2,5 cm de diamètre. La wearing of samples under test on a vertical carousel, (3) an electronic stepper motor control and indexing device, and (4) measuring and control equipment. An oxygen-propane torch allows rapid heating (in about 20 seconds) of the ceramic face, on button-type samples of 2.5 cm in diameter. The
station suivante soumet les échantillons à un refroidisse- next station subjects the samples to cooling
ment rapide (en environ 20 secondes jusqu'à une température inférieure à 260 C} entre des jets d'air qui sont projetés à la fois sur la surface en céramique et sur le support en métal. Les températures sur les deux faces sont mesurées fast (in about 20 seconds up to a temperature below 260 C} between air jets which are projected both on the ceramic surface and on the metal support. The temperatures on both sides are measured
avec des pyromètres optiques.with optical pyrometers.
Dans les évaluations qui sont représentées par les données des Tableaux 2 et 3, le revêtement céramique de barrière thermique en ZrO2 stabilisé avec 8% en poids de Y203 a été formé par pulvérisation par plasma dans l'air jusqu'aux épaisseurs indiquées. Dans chaque cycle du Tableau In the evaluations which are represented by the data of Tables 2 and 3, the ceramic thermal barrier coating in ZrO2 stabilized with 8% by weight of Y203 was formed by air plasma spraying to the thicknesses indicated. In each cycle of the Table
2, chaque échantillon a été chauffé dans les conditions sui- 2, each sample was heated under the following conditions
vantes: température moyenne de la surface en céramique: 1221 C; température moyenne de la face arrière en métal: 868 C; différence de température moyenne: 353 C. Ensuite, Vantes: average temperature of the ceramic surface: 1221 C; average temperature of the metal rear face: 868 C; average temperature difference: 353 C. Then,
pour chaque cycle, l'échantillon a été refroidi à une tem- for each cycle, the sample was cooled to a tem-
Z638156Z638156
pérature inférieure à environ 260 C, comme décrit ci-dessus. temperature below about 260 C, as described above.
TABLEAU 3TABLE 3
Tests thermiques cycliques avec l'appareil JETS (2500 cycles) (Céramique supérieure: ZrO2 - 8Y203; épaisseur moyenne: 915-1165 pm) Exemple Echantillon Préparation Rugosité de Résultats de surface surface (c) (pm en moyenne arithmétique) Standard Couche de 11,5 - 14 Pas de fis- (a) liaison sures sur la ligne de liaison Cyclic thermal tests with the JETS device (2500 cycles) (Upper ceramic: ZrO2 - 8Y203; average thickness: 915-1165 pm) Example Sample Preparation Surface roughness of surface area (c) (pm in arithmetic average) Standard Layer of 11 , 5 - 14 No fis- (a) secure connection on the connection line
6 - Pas de cou- Electro- 18 - 24 Pas de fis- 6 - No neck - Electro - 18 - 24 No crack
che de liai- érosion sures sur son (b) la ligne de liaison (a) Couche de liaison CoNiCrAlY (130 Wm)/substrat en alliage René 80 (b) Substrat: alliage MA956 rendu rugueux (brasé sur un contrefort en alliage René 80 (c) Examen microscopique périodique avec un grossissement de sure bonding on its (b) the bonding line (a) CoNiCrAlY bonding layer (130 Wm) / René 80 alloy substrate (b) Substrate: MA956 alloy roughened (brazed on a René 80 alloy buttress (c) Periodic microscopic examination with a magnification of
5050
Au coQurs de chaque cycle dans le Tableau 3, chaque échantillon a été chauffé dans les conditions suivantes: température moyenne de la surface en céramique: 1408 C; température moyenne de la face arrière en métal: 653 C; différence de température moyenne: 755 C. Ensuite, dans chaque cycle, l'échantillon a été refroidi à une température During each cycle in Table 3, each sample was heated under the following conditions: average temperature of the ceramic surface: 1408 C; average temperature of the metal rear face: 653 C; average temperature difference: 755 C. Then, in each cycle, the sample was cooled to a temperature
inférieure à environ 2600C, comme décrit ci-dessus. below about 2600C, as described above.
La comparaison des données du Tableau 2 et du Ta- Comparison of the data in Table 2 and the Ta-
bleau 3 montre clairement l'effet extrêmement important de l'invention sur l'intégrité du revêtement: la combinaison du degré de rugosité de surface et de la nature de cette ru- bleau 3 clearly shows the extremely important effect of the invention on the integrity of the coating: the combination of the degree of surface roughness and the nature of this surface.
gosité peut procurer un système de barrière thermique consi- gosity can provide a significant thermal barrier system
dérablement amélioré pour des applications à haute tempéra- incredibly improved for high temperature applications
ture. Dans un exemple particulier employant l'alliage ture. In a particular example using the alloy
René N5 pour le substrat, on a utilisé une opération d'atta- René N5 for the substrate, we used an attack operation
que chimique pour rendre rugueuse la surface de l'échantillon. than chemical to roughen the surface of the sample.
Un tel procédé pour rendre la surface rugueuse est particu- Such a method for roughening the surface is particularly
lièrement intéressant pour un matériau de ce type qui est un particularly interesting for a material of this type which is a
alliage monocristallin dont la composition nominale est indi- monocrystalline alloy whose nominal composition is indi-
quée dans le Tableau 1. L'attaque chimique a donné une rugo- shown in Table 1. The chemical attack resulted in a roughness
sité de surface dans la plage d'environ 15 -20 pm (en moyen- surface sity in the range of about 15 -20 pm (average-
ne arithmétique), avec une profondeur d'attaque de 50 à 100 pm. De plus, une telle technique d'attaque peut bénéficier de la différence de composition chimique et de caractéristiques d'attaque entre des dendrites et la région interdendritique arithmetic), with a depth of attack of 50 to 100 pm. In addition, such an attack technique can benefit from the difference in chemical composition and attack characteristics between dendrites and the interdendritic region.
d'alliages tels que le René N5. L'attaque par un acide a pro- alloys such as René N5. The acid attack has pro-
duit une surface rugueuse (jusqu'à 20 Pm en moyenne arithmé- produces a rough surface (up to 20 Pm on average arithmetic-
tique particulièrement bien adaptée poUr recevoir et accro- particularly well adapted tick for receiving and
cher une couche supérieure de revêtement céramique. De plus, des pointes de dendrites qui s'étendent à l'intérieur du revêtement céramique peuvent avoir un certain effet sur la expensive a top layer of ceramic coating. In addition, dendrite tips that extend inside the ceramic coating can have some effect on the
formation de fissures à l'intérieur de la céramique, en pro- formation of cracks inside the ceramic,
curant ainsi un mécanisme de détente ou d'atténuation des thus curating a mechanism of relaxation or attenuation of
contraintes près de l'interface. On peut obtenir des résul- constraints near the interface. We can get results
tats similaires, en fonction de l'article qui constitue le substrat, par un réglage des paramètres du procédé d'usinage électrochimique bien connu, qu'on utilise généralement pour enlever des quantités notables de métal, pour mettre en forme similar states, depending on the article which constitutes the substrate, by adjusting the parameters of the well-known electrochemical machining process, which is generally used to remove significant quantities of metal, to shape
la surface d'un article.the surface of an article.
Dans l'exemple d'attaque chimique ci-dessus, faisant In the chemical attack example above, doing
intervenir l'alliage René N5, on a utilisé pour le bain d'at- use the René N5 alloy, we used for the
taque une solution aqueuse consistant de façon prédominante en HC1, avec une petite quantité de HNO3, et contenant FeC13 tackles an aqueous solution consisting predominantly of HC1, with a small amount of HNO3, and containing FeC13
dans la proportion d'environ 50% en poids de FeCl3 par rap- in the proportion of about 50% by weight of FeCl3 relative to
port à l'eau. On a effectué l'attaque pendant environ une port in the water. The attack was carried out for approximately one
heure au voisinage de la température ambiante. hour near room temperature.
Pour des applications dans lesquelles c'est souhai- For applications where it is desired
table, l'article manufacturé revêtu de l'invention-peut en outre comprendre une ou plusieurs structures pré-formées table, the manufactured article coated with the invention-may further comprise one or more pre-formed structures
en céramique, chaque structure pré-formée étant fixée mécani- ceramic, each pre-formed structure being mechanically fixed
quement sur au moins une surface du substrat en métal, de.la manière qui est illustrée sur la figure 2. La structure en céramique pré-formée peut être réalisée de façon à avoir une forme et une épaisseur prédéterminées, et cette épaisseur peut dépasser notablement l'épaisseur qu'on peut atteindre only on at least one surface of the metal substrate, in the manner which is illustrated in FIG. 2. The pre-formed ceramic structure can be produced so as to have a predetermined shape and thickness, and this thickness can significantly exceed the thickness that can be reached
aisément pour des revêtements en céramique formés par pulvé- easily for ceramic coatings formed by spraying
risation par plasma dans l'air. Dans le mode de réalisation particulier qui est représenté sur la figure 2, la structure pré-formée comprend une plaque de céramique 16 comportant une paire de rainures de-retenue 18 formées le-long de tranches rization by plasma in air. In the particular embodiment which is represented in FIG. 2, the pre-formed structure comprises a ceramic plate 16 comprising a pair of retaining grooves 18 formed along slices
opposées de la plaque 16. Des moyens permettant de fixer mé- opposite of the plate 16. Means for fixing me-
caniquement la plaque 16 sur la surface 22 du substrat 10 comprennent une paire de languettes de retenue 20 qui sont associées aux rainures de retenue 18, aVec les languettes de retenue 20 disposées de façon que chaque languette 20 soit typically the plate 16 on the surface 22 of the substrate 10 comprises a pair of retaining tabs 20 which are associated with the retaining grooves 18, with the retaining tabs 20 arranged so that each tab 20 is
verrouillée avec l'une des rainures de retenue 18. Les lan- locked with one of the retaining grooves 18. The lans
guettes de retenue 20 sont formées d'un seul tenant avec le substrat 10 et elles ont une configuration prévue de façon à retenir en position la plaque de céramique 16, par rapport au substrat 10. Les surfaces restantes du substrat 10, comme les surfaces 24, 26, 28 et 30, peuvent être constituées par retaining plates 20 are formed integrally with the substrate 10 and have a configuration provided so as to retain in position the ceramic plate 16, relative to the substrate 10. The remaining surfaces of the substrate 10, like the surfaces 24 , 26, 28 and 30, can consist of
des surfaces rendues rugueuses, sur lesquelles on peut ap- roughened surfaces, which can be applied
pliquer un revêtement céramique, de la manière qui est illus- plaster a ceramic coating, in the way that is illus-
trée par la surface 12 et le revêtement 14 sur la figure 1. trée by the surface 12 and the coating 14 in Figure 1.
Dans un tel mode de réalisation, le revêtement céramique de In such an embodiment, the ceramic coating of
barrière thermique peut être formé de façon à encapsuler com- thermal barrier can be formed to encapsulate
plètement le substrat 10, et il peut être constitué par des sections ayant plusieurs épaisseurs différentes; fully the substrate 10, and it can be constituted by sections having several different thicknesses;
On peut former les systèmes de revêtement de bar- Bar coating systems can be formed
rière thermique décrits ci-dessus sans utiliser une couche de revêtement de liaison intermédiaire, formée sur place, thermal insulation described above without using an intermediate bonding coating layer formed on site,
entre la céramique protectrice et la structure sous-jacente. between the protective ceramic and the underlying structure.
Conformément à l'invention, un procédé de revêtement d'un substrat en métal avec un matériau de barrière thermique comprend les opérations qui consistent à rendre rugueuse au According to the invention, a method of coating a metal substrate with a thermal barrier material comprises the operations which consist in roughening the
moins une surface du substrat en métal, comme décrit ci-des- minus one surface of the metal substrate, as described above
* sus, et à lui appliquer un revêtement céramique de barrière thermique. Le revêtement céramique est appliqué de façon qu'une partie au moins de celui-ci soit située à l'intérieur des cavités à profil déchiqueté qui sont formées dans la* above, and apply a ceramic thermal barrier coating to it. The ceramic coating is applied so that at least part of it is located inside the shredded profile cavities which are formed in the
surface rugueuse du substrat. On accomplit l'opération con- rough surface of the substrate. The operation is carried out
sistant à rendre la surface rugueuse de façon que la mesure du profil de la surface rugueuse du substrat avec un appareil de mesure de profil, donne une valeur d'au moins 15 pm, en to make the surface rough so that the measurement of the profile of the rough surface of the substrate with a profile measuring device gives a value of at least 15 μm,
moyenne arithmétique, de préférence comprise entre 15 et 25 qm. arithmetic mean, preferably between 15 and 25 qm.
On peut employer un certain nombre de techniques There are a number of techniques that can be used
différentes pour rendre rugueuse la surface du substrat. Con- different to roughen the surface of the substrate. Con-
formément à l'invention, on a trouvé que l'usinage électro- according to the invention, it has been found that electro-
chimique et l'attaque chimique sont deuk procédés particuliè- chemical and chemical attack are two special processes
rement efficaces pour produire une surface de substrat ru- highly effective in producing a rough substrate surface.
gueuse. Dans la technique d'enlèvement de matière, un but de beggar. In the material removal technique, a goal of
l'usinage électrochimique est de produire une finition de. electrochemical machining is to produce a finish of.
surface lisse. Par exemple, on utilise couramment. l'usinage électrochimique dans la fabrication d'organes de moteurs smooth surface. For example, it is commonly used. electrochemical machining in the manufacture of engine components
d'aéronefs pour satisfaire les exigences de finition de sur- aircraft to meet sur- face finish requirements
face qui sont imposées par des considérations de conception face which are imposed by design considerations
mécaniques et aérodynamiques. On a cependant trouvé, confor- mechanical and aerodynamic. However, we have found,
mément à l'invention, qu'en modifiant des paramètres de pro- mement to the invention, that by modifying parameters of pro-
cessus tels que l'intensité, la course du piston, le débit de la buse et la solution d'électrolyte, on peut également utiliser l'usinaqe électrodchimique pour produire une surface de métal rugueuse du type qui convient pour une surface de liaison dans le cas de revêtements céramiques de barrière such as the intensity, the stroke of the piston, the flow rate of the nozzle and the electrolyte solution, it is also possible to use the electro-chemical machine to produce a rough metal surface of the type which is suitable for a bonding surface in the barrier ceramic coatings
thermique. On a par exemple employé l'usinage électrochimi- thermal. For example, electrochemical machining was used
que pour produire des rugosités de surface correspondant à des valeurs mesurées avec un appareil de mesure de profil only to produce surface roughness corresponding to values measured with a profile measuring device
qui sont dans la plage de 18 à 25 pm, en moyenne arithméti- which are in the range of 18 to 25 pm, on average arithmetic-
que, pour des substrats en alliages métalliques ayant les compositionsd'alliages MA 956 et MA 754 qui sont indiquées that for substrates of metallic alloys having the alloy compositions MA 956 and MA 754 which are indicated
dans le Tableau 1. Les surfaces de'métal rugueuses résultan- in Table 1. The resulting rough metal surfaces
tes ont été caractérisées par des crêtes et des vallées dis- your were characterized by ridges and valleys
tinctes et présentaient une texture rugueuse et grenue, si- tinctures and presented a rough and grainy texture, if-
milaire aux textures que présentent des couches de revête- milaire to the textures presented by layers of coating-
ments de liaison formées par pulvérisation par plasma dans bonding elements formed by plasma spraying in
l'air.the air.
On peut produire des surfaces rugueuses similaires Similar rough surfaces can be produced
par un traitement d'attaque chimique. En choisissant de fa- by a chemical attack treatment. By choosing to
çon appropriée la solution d'attaque et la durée pendant la- appropriate lesson the attack solution and the duration during the
quelle le substrat est immergé dans cette solution, comme décrit cidessus en relation avec l'alliage René N5, on peut obtenir une variété de rugosités de surface désirées.-On a par exemple obtenu des rugosités de surface correspondant à des valeurs comprises entre environ 15 et 23 pm, en moyenne arithmétique, mesurées avec un appareil- de mesure de profil, en effectuant une attaque chimique de substrats en alliages métalliques ayant les compositions des alliages René N4 et which the substrate is immersed in this solution, as described above in relation to the alloy René N5, one can obtain a variety of surface roughness desired. -We have for example obtained surface roughness corresponding to values between approximately 15 and 23 μm, on arithmetic mean, measured with a profile measuring device, by etching a substrate of metal alloys having the compositions of the René N4 alloys and
René N5 qui sont indiquées dans le Tableau 1. René N5 which are indicated in Table 1.
Pour des substrats qui sont formés par des techni- For substrates that are formed by techniques
ques de moulage de métal, il peut être souhaitable de former la surface de substrat rugueuse dans le cadre de l'opération metal molding, it may be desirable to form the rough substrate surface as part of the operation
de moulage. L'étape d'augmentation de la rugosité, conformé- molding. The step of increasing roughness, consistent
ment à l'invention, peut être accomplie pendant la formation du substrat en métal, en coulant le substrat dans un moule qui a lui-même une surface rugueuse, la surface rugueuse du moule ayant une configuration conçue de façon à donner une In accordance with the invention, can be accomplished during the formation of the metal substrate, by casting the substrate into a mold which itself has a rough surface, the rough surface of the mold having a configuration designed to give a
surface rugueuse correspondante au substrat brut de moulage. rough surface corresponding to the raw molding substrate.
On peut par exemple rendre ruqueuses des surfaces sélection- One can for example make rough surfaces selection-
nées de moule à la cire par des techniques de moletage, d'attaque ou d'usinage électrochimique. Une fois qu'on a réalisé les surfaces rugueuses du moule, on peut utiliser des techniques normales de moulage à cire perdue pour former molded by wax using knurling, etching or electrochemical machining techniques. Once the rough surfaces of the mold have been made, normal lost-wax molding techniques can be used to form
le substrat. La structure du substrat résultant brut de mou- the substrate. The structure of the substrate resulting from gross
lage comprend au moins une partie de surface ayant une natu- the age comprises at least a surface part having a nature
re et une rugosité appropriées, conformément à l'invention, pour faire fonction de surface de liaison pour un revêtement re and a roughness suitable, in accordance with the invention, to function as a bonding surface for a coating
céramique de barrière thermique.thermal barrier ceramic.
Le revêtement céramique de barrière thermique peut The ceramic thermal barrier coating can
être appliqué par un certain nombre de procédés sur la sur- be applied by a number of processes on the
face rugueuse du substrat. Parmi des techniques appropriées figurent la pulvérisation par plasma, le dépôt par vapeur et la pulvérisation cathodique. Toutes ces techniques sont bien rough surface of the substrate. Suitable techniques include plasma spraying, vapor deposition and sputtering. All of these techniques are good
connues et ont fait l'objet de nombreuses descriptions. De known and have been the subject of numerous descriptions. Of
façon générale, dans la pulvérisation par plasma, des parti- generally speaking, in plasma spraying,
cules de poudre ayant la composition désirée sont transpor- powder cules having the desired composition are transported
tées d'un canon à plasma vers la surface de la cible par un jet de gaz chaud. Les particules de poudre sont chauffées jusqu'à un état de fusion parle jet de gaz chaud et elles se shot from a plasma gun to the surface of the target by a jet of hot gas. The powder particles are heated to a state of fusion by the jet of hot gas and they
resolidifient au moment du dépôt sur le surface de la cible. re-solidify upon deposition on the target surface.
Dans le dépôt en phase vapeur, l'article à revêtir est placé In the vapor deposition, the article to be coated is placed
au-dessus d'un bain en fusion d'un matériau ayant la compo- above a molten bath of a material having the composition
sition désirée. Au fur et à mesure que le matériau s'évapore, la vapeur résultante se condense sur l'article et forme un revêtement sur ce dernier. On met commodément en oeuvre le procédé de dépôt par vapeur dans une chambre à vide, et on utilise souvent un faisceau d'électrons en tant que source de chaleur pour maintenir le matériau chauffé à l'état de fusion. Pour des revêtements de barrière thermique contenant des oxydes, la céramique déposée qui résulte des techniques desired position. As the material evaporates, the resulting vapor condenses on the article and forms a coating on the article. The vapor deposition process is conveniently carried out in a vacuum chamber, and an electron beam is often used as a heat source to keep the heated material in the molten state. For thermal barrier coatings containing oxides, the ceramic deposited resulting from the techniques
d'application ci-dessus peut être déficiente en oxygène. application above may be oxygen deficient.
Lorsqu'on utilise de tels revêtements dans le procédé de l'invention, on peut soumettre le revêtement de barrière thermique à un traitement supplémentaire, en le chauffant When such coatings are used in the process of the invention, the thermal barrier coating can be further treated by heating
dans une atmosphère contenant de l'oxygène, de façon à ob- in an oxygen-containing atmosphere, so that
tenir une composition de céramique pratiquement stoechiomé- hold a practically stoichiometric ceramic composition
trique. Pour des céramiques à l'oxyde de zirconium partiel- stick. For partial zirconium oxide ceramics-
lement stabilisées, le chauffage du revêtement dans l'air pendant environ 4 heures à une température d'environ 1080"C Slowly stabilized, heating the coating in air for about 4 hours at a temperature of about 1080 "C
est généralement suffisant. Il faut noter que, dans certai- is generally sufficient. It should be noted that in some
nes applications, l'article revêtu subit un recuit dans les conditions d'utilisation, auquel cas l'opération de recuit nes applications, the coated article is annealed under the conditions of use, in which case the annealing operation
à température élevée décrite ci-dessus n'est pas nécessaire. at high temperature described above is not necessary.
Dans certaines applications de revêtements de bar- In some bar coatings applications
rière thermique, l'épaisseur désirée du revêtement céramique thermal insulation, the desired thickness of the ceramic coating
peut dépasser l'épaisseur qu'on peut aisément obtenir en - can exceed the thickness that can easily be obtained in -
utilisant les techniques de formation de revêtement cérami- using ceramic coating formation techniques
que décrites ci-dessus. Dans de telles applications, le pro- as described above. In such applications, the pro-
cédé de l'invention peut en outre comprendre la fixation mé- assigned of the invention may further comprise the meta-
canique d'au moins une structure pré-formée en un matériau céramique, sur au moins une surface du substrat en métal, kinetics of at least one pre-formed structure of a ceramic material, on at least one surface of the metal substrate,
comme décrit ci-dessus en relation avec la figure 2. as described above in relation to Figure 2.
Bien entendu, à titre d'opération préparatoire Of course, as a preparatory operation
pour n'importe laquelle des techniques de traitement qui en- for any of the processing techniques that
trent dans le cadre de l'invention, il peut être souhaitable de nettoyer soigneusement la surface qui doit être rendue rugueuse ou revêtue. On peut enlever des souillures, des Within the scope of the invention, it may be desirable to thoroughly clean the surface which is to be roughened or coated. You can remove dirt,
graisses, des oxydes, etc., par un certain nombre de procé- fats, oxides, etc., by a number of processes
dés de nettoyage appropriés, connus dans la technique. suitable cleaning dice known in the art.
Dans une autre évaluation de l'invention, on a re- In another evaluation of the invention, it was re-
vêtu avec un matériau de barrière thermique, conformément à l'invention, une structure en alliage MA 956, connue dans clad with a thermal barrier material, in accordance with the invention, an alloy structure MA 956, known in
la technique des moteurs d'aéronefs sous l'appellation "gout- the technique of aircraft engines under the name "taste-
tière en V", et on a testé cette structure dans un appareil correspondant à un brûleur du type "tunnel de flamme ", avec variation de température cyclique. On a rendu rugueuse, par usinage électrochimique, la surface intérieure des deux pans in V "shape, and this structure was tested in an apparatus corresponding to a burner of the" flame tunnel "type, with cyclic temperature variation. The interior surface of the two sides was roughened by electrochemical machining
arrière de la gouttière en V, et on a appliqué sur les sur- back of the V-shaped gutter, and we applied on the
faces rugueuses, par pulvérisation par plasma dans l'air, un revêtement de céramique de 0,5 mm d'épaisseur, consistant en oxyde de zirconium stabilisé par 8% en poids d'oxyde d'yt- trium. On a soumis la structure de gouttière en V revêtue à un test de cycle thermique dans un appareil de test à tunnel de flamme, qui produit des températures de fonctionnement plus élevées que l'appareil-de test de chocs thermiques qui est utilisé dans les exemples ci-dessus, et qui comporte un système de chauffage sous pression. Pendant la partie de chauffage du cycle de test, l'échantillon est chauffé par une flamme produite par auto-allumage de carburéacteur sous pression, à une pression d'environ 7 x 105 Pa au- dessus de la pression atmosphérique, jusqu'à une température d'environ 1260 C, en une durée de 22,5 secondes. Pendant le cycle de refroidissement, on a utilisé un refroidissement par eau pour refroidir l'échantillon, à une pression de 6 x 105 Pa rough faces, by air plasma spraying, a ceramic coating 0.5 mm thick, consisting of zirconium oxide stabilized by 8% by weight of ytrietum oxide. The coated V-shaped gutter structure was subjected to a thermal cycle test in a flame tunnel tester, which produced higher operating temperatures than the thermal shock tester used in the examples. above, and which includes a pressure heating system. During the heating part of the test cycle, the sample is heated by a flame produced by self-ignition of pressurized jet fuel, at a pressure of about 7 x 105 Pa above atmospheric pressure, to a temperature of about 1260 C, in a duration of 22.5 seconds. During the cooling cycle, water cooling was used to cool the sample to a pressure of 6 x 105 Pa
au-dessus de la pression atomsphérique, jusqu'à une tempéra- above the atmospheric pressure, up to a temperature
ture d'environ 1040 C, sur la même durée de 22,5 secondes. ture of around 1040 C, over the same duration of 22.5 seconds.
L'échantillon revêtu de la barrière thermique a subi avec succès 1000 de ces cycles de test avec l'appareil à br leur. Le système de revêtement de barrière thermique est resté totalement intact, sans aucun écaillage apparent de la céramique. La surface rendue rugueuse par usinage électrochimique a procuré à nouveau une excellente surface de liaison pour l'adhérence de la céramique au substrat en métal. La figure 3 montre l'aspect de la-gouttière en V après 1000 cycles thermiques. Les surfaces rendues rugueuses The thermal barrier coated sample successfully underwent 1000 of these test cycles with the burner. The thermal barrier coating system remained completely intact, with no apparent chipping of the ceramic. The roughened surface by electrochemical machining again provided an excellent bonding surface for the adhesion of the ceramic to the metal substrate. Figure 3 shows the appearance of the V-shaped gutter after 1000 thermal cycles. Rough surfaces
par usinage électrochimique sur lesquelles le revêtement cé- by electrochemical machining on which the coating
ramique a été appliqué, sont représentées sur la figure 3 ramic has been applied, are shown in Figure 3
comme étant des surfaces intérieures 44 et 46 des pans ar- as interior surfaces 44 and 46 of the rear panels
rière 40 et 42. Pendant le test, deux petites fissures, dé- re 40 and 42. During the test, two small cracks,
signées par les Zéférences 48 et 50 sur la figure 3, sont apparues dans les bords arrière de la structure de gouttière signed by Zeferences 48 and 50 in Figure 3, appeared in the rear edges of the gutter structure
en V. Chaque fissure mesurait approximativement 8 mm de lon- in V. Each crack measured approximately 8 mm in length.
gueur et était située approximativement dans la zone médiane du pan arrière respectif. Ces fissures ont été probablement and was located approximately in the middle area of the respective back pan. These cracks were probably
dues au gradient de température relativement élevé qui exis- due to the relatively high temperature gradient that exists
tait de part et d'autre des pans pendant les cycles de tem- pérature. Pendant le test, la gouttière en V était maintenue fermement en position. par deux flasques d'extrémités de gouttière en V. Les flasques d'extrémités étaient montés dans l'appareil de test et l'appareil complet était loqé was on both sides of the sections during the temperature cycles. During the test, the V-shaped gutter was held firmly in position. by two end plates of V-shaped gutter. The end plates were mounted in the test apparatus and the complete apparatus was locked
dans le conduit d'eau, d'une manière telle que l'eau de re- in the water pipe, in such a way that the return water
froidissement donne aux flasques d'extrémités, donc aux par- cooling gives the end flanges, therefore the
ties supérieure et inférieure de la gouttière en V, une tem- upper and lower ties of the V-shaped gutter, a tem-
pérature très inférieure à celle de la région médiane du pan. Le gradient thermique résultant sur l'étendue de chaque temperature much lower than that of the middle region of the pan. The resulting thermal gradient over the extent of each
pan a induit une contrainte thermique maximale dans sa par- pan induced maximum thermal stress in its part
tie médiane, et a probablement entraîné la formation des fissures 48 et 50 qui sont représentées sur la figure 3. Il faut en outre noter que cette structure de gouttière en V middle tie, and probably led to the formation of cracks 48 and 50 which are shown in Figure 3. It should also be noted that this V-shaped gutter structure
simule un organe du dispositif de post-combustion d'un mo- simulates an organ in the afterburner of a mo-
teur d'aéronef, et on considère que cette-structure n'est défaillante que si elle est complètement coupée en deux morceaux séparés. Théoriquement, lorsque les fissures 48 et se propagent vers le nez avant 52 df la gouttière en V, le gradient thermique et la contrainte thermique résultante sur l'étendue de chaque pan diminueront jusqu'à un niveau aircraft, and it is considered that this structure is faulty only if it is completely cut into two separate pieces. Theoretically, when the cracks 48 and propagate towards the nose before 52 df the V-shaped gutter, the thermal gradient and the resulting thermal stress on the extent of each pan will decrease to a level
tel que chaque fissure cesse de se propager ou de se déve- such that each crack stops spreading or developing
lopper plus loin.lopper further.
On a décrit dans ce qui précède un système de re- We have described in the foregoing a system of re-
vêtement de barrière thermique qui n'exige pas la formation d'une couche de revêtement de liaison entre le substrat en thermal barrier clothing which does not require the formation of a bonding coating layer between the substrate
métal et le revêtement céramique de barrière thermique. metal and ceramic thermal barrier coating.
L'invention procure un article manufacturé, protégé au point The invention provides an article of manufacture, protected to the point
de vue thermique, qui comporte un revêtement céramique du- from a thermal point of view, which includes a ceramic coating of-
rable qui est fermement lié au substrat. En éliminant la maple which is firmly bonded to the substrate. By eliminating the
nécessité d'une telle couche de revêtement de liaison, l'in- the need for such a bond coating layer, the
vention procure un article fini qui est plus léger et qui vention provides a finished item that is lighter and
peut--supporter des températures de fonctionnement plus éle- can - withstand higher operating temperatures
vées que ce qui était possible jusqu'à présent, en utilisant than was possible until now, using
des systèmes de revêtement de barrière thermique classiques. conventional thermal barrier coating systems.
En outre, en procurant un procédé pour appliquer directement des revêtements céramiques de barrière thermique sur des substrats en métal, l'invention réduit également les frais In addition, by providing a method for directly applying ceramic thermal barrier coatings to metal substrates, the invention also reduces costs.
de fabrication et la longueur des séquences dé fabrication. and the length of the manufacturing sequences.
Bien qu'on ait décrit l'invention en détail en con- Although the invention has been described in detail in
sidérant certains de ses modes de réalisation préférés, l'homme de l'art pourra y apporter de nombreux changements flattering some of his preferred embodiments, those skilled in the art can make many changes
et modifications. Par exemple, bien qu'on ait décrit l'in- and modifications. For example, although the information has been described
vention en considérant plusieurs exemples spécifiqués, les When considering several specific examples, the
compositions de céramiques et de métaux, ainsi que les tech- ceramic and metal compositions, as well as
niques de traitement qui sont indiquéesdans la description, processing methods which are indicated in the description,
doivent être considéréescomme des exemples non limitatifs. should be considered as non-limiting examples.
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