FR2698105A1 - Pièce en un substrat de base métallique comportant un revêtement céramique. - Google Patents

Pièce en un substrat de base métallique comportant un revêtement céramique. Download PDF

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Abstract

L'invention concerne une pièce en un substrat de base métallique comportant un revêtement céramique, et un procédé permettant sa fabrication. La surface de substrat 7 est structurée, notamment dans des zones de surface à courbure convexe, par un grand nombre de nervures 3 faisant saillie perpendiculairement d'une surface de base, la hauteur des nervures 3 au-dessus de la surface de base étant inférieure à l'épaisseur du revêtement 5. Les alvéoles formées par la structuration présentent de préférence un fond d'alvéole concave. La structuration est réalisée avant l'application du revêtement, en étant usinée dans le substrat de base, ou en étant rapportée sur la surface de celui-ci. Grâce à une conduite contrôlée de la température lors de l'application du revêtement, ou bien à un traitement thermique ultérieur, la couche continue de céramique est segmentée, de sorte que la pièce présente dans son revêtement céramique, des fissures verticales de segmentation 13.

Description

PIECE EN UN SUBSTRAT DE BASE METALLIQUE
COMPORTANT UN REVETEMENT CERAMIQUE.
L'invention concerne une pièce en un substrat de base métallique comportant un revêtement céramique, et un procédé permettant sa fabrication. Des pièces métalliques comportant un revêtement céramique sont utilisées dans des groupes motopropulseurs Dans ce cas, le revêtement céramique fait souvent office de couche d'isolation thermique, lorsqu'il est constitué essentiellement d'oxyde de zirconium Les couches d'oxyde d'aluminium ou d'oxyde de chrome sont destinées à réaliser des couches de
protection contre la corrosion.
En raison de la dilatation thermique différente des couches de céramique par rapport au substrat de base métallique, la formation de fissures qui peut conduire jusqu'au détachement de la couche, pose continuellement des problèmes, notamment dans le cas de pièces à surface de courbure convexe, soumises à une sollicitation thermique La formation des fissures se fait en fonction du temps et des cycles thermiques, à proximité de la surface de substrat et parallèlement à celle-ci Lorsque la fissure s'est suffisamment propagée, il se produit des détachements sur de grandes surfaces, et une détérioration de la pièce par surchauffe du substrat de base, ou bien une détérioration d'autres composants voisins et mobiles, ce qui peut conduire à la défaillance totale d'un groupe motopropulseur. Il est connu de rendre plus rugueuse la surface du substrat de base, par sablage, par attaque ou par application d'un revêtement formé d'une couche d'accrochage, en vue d'obtenir un ancrage micromécanique
plus efficace de la couche sur le substrat.
Un autre procédé est divulgué par le document "Thermal Strain Tolerant Abradable Thermal Barrier Coatings" de T E Strangman, publié à l'occasion du congrès international sur les turbines à gaz et les ensembles de propulsion en aéronautique, à Orlando FL, USA, pages 1 à 5, 1991 Selon ce procédé, on réalise dans la surface du substrat, avant l'application du revêtement, des gradins en forme de dents de scie, en vue d'obtenir une micro-segmentation Lors de l'application du revêtement, une couche d'oxyde de zirconium est déposée par pulvérisation, sous un angle aigu par rapport à la surface du substrat, de manière à ce qu'il soit impossible que du matériau se fixe au niveau des gradins en dents de scie, en faisant apparaître ainsi une fente relativement large Les fentes ainsi formées assurent la compensation des différences de dilatation thermique Ces fentes larges et ouvertes obtenues lors de l'application par pulvérisation, ne permettent pas de garantir qu'il ne se formera pas d'amorce de fissuration parallèlement au substrat de base, lors de la segmentation, de sorte que
le taux de rebut ou de pièces défectueuses est élevé.
En outre, il est connu de par le document US-PS 3 068 016, de rapporter par brasage ou par soudage, sur une surface de base, une structure métallique ouverte, telle qu'une structure en nid d'abeilles, et de remplir les alvéoles de celle-ci, par de la céramique L'inconvénient de ce principe réside dans le fait que la structure métallique est exposée à l'oxydation et à la corrosion, et que les propriétés d'isolation thermique de la couche de céramique ne peuvent pas être totalement exploitées, parce que des nervures métalliques conduisant la chaleur, transmettent la chaleur directement au substrat de base Un autre inconvénient des structures en nid d'abeilles pour des revêtements épais, réside dans le fait qu'une structure en nid d'abeilles de grande hauteur n'autorise pas une application optimale du revêtement, parce que le rejaillissement de gaz ou de particules, ou bien l'effet d'ombre des parois des alvéoles, entravent la formation
optimale de la couche.
Le but de l'invention consiste à fournir une pièce du type de celle mentionnée en introduction, en un substrat de base et un revêtement céramique, dans laquelle l'accrochage, notamment sur des surfaces de courbure convexe, est amélioré, et dans laquelle on obtient une segmentation verticale, sans fentes ouvertes
obtenues lors de l'application par pulvérisation.
Ce but est atteint grâce au fait que la surface de substrat est structurée par un grand nombre de nervures faisant saillie perpendiculairement d'une surface de base, et dont la hauteur au-dessus de la surface de base est inférieure à l'épaisseur du
revêtement.
L'avantage de la structuration de la surface du substrat de base, conforme à l'invention, par des nervures, de préférence à arêtes vives, faisant saillie de cette surface, réside dans le fait que les nervures agissent en tant qu'éléments d'amorçage de segmentation pour la segmentation du revêtement céramique dans une direction perpendiculaire à la surface de base Ainsi, la structuration de la surface de substrat se transmet au revêtement céramique qui la recouvre, et dont les fissures de segmentation peuvent être adaptées en grandeur, densité et direction, aux exigences techniques Les fissures peuvent s'ouvrir ou se fermer, en fonction des sollicitations thermiques Elles évitent ainsi avantageusement des contraintes de cisaillement entre le substrat de base et le revêtement céramique, de sorte que le risque de formation de fissures, parallèlement à la surface de substrat, est réduit Les nervures sont avantageusement réalisées dans ou sur des zones de la surface de substrat de courbure convexe, parce que ces zones présentent un risque plus important de détachement par éclatement du revêtement, en cas de
sollicitation thermique.
L'accrochage de chaque segment de céramique peut être amélioré davantage, à l'aide des moyens connus. Selon une configuration avantageuse de l'invention, la surface de substrat structurée présente un motif en bandes, formé par des nervures Un tel motif en bandes est avantageusement utilisé dans le cas d'anneaux ou d'arbres, ou d'autres pièces à symétrie radiale et à courbure convexe, dont la dilatation
thermique radiale met en danger un revêtement céramique.
En vue de reprendre également la composante axiale des contraintes de cisaillement, les bandes s'étendent en étant réparties parallèlement sur la surface périphérique extérieure de la pièce, en formant un angle
d'obliquité par rapport à l'axe de la pièce.
La surface de substrat structurée présente de préférence un motif en losanges, formé par des nervures, lorsque la surface présente des courbures sphériques à zones convexes, tel que cela se présente sur le côté dépression des ailettes d'aubages dans des groupes
motopropulseurs à turbine à gaz.
La surface de substrat structurée présente un motif polygonal, en nid d'abeilles, en losanges ou circulaire, formé par des nervures, de préférence lorsque la pièce comporte des courbures extrêmement convexes, par exemple le long de bords à faible rayon de courbure, parce que ces structures peuvent être avantageusement adaptées aux rayons de courbure Des structures à motif polygonal, en nid d'abeilles, en losanges ou circulaire, forment des alvéoles sur la surface Ces alvéoles présentent de préférence une largeur maximale de 0, 1 à 10 mm Les nervures forment ici des parois d'alvéoles dont l'épaisseur de paroi se
situe de préférence entre 0,01 mm et 0,5 mm.
Les zones de la surface de substrat entre les nervures faisant saillie de la surface de base, perpendiculairement à celle-ci, sont de préférence réalisées en tant que cavités concaves dont les bords présentent des nervures faisant saillie perpendiculairement de la surface de substrat Ces cavités présentent l'avantage de ne pas former de base de revêtement plane, de sorte qu'il ne peut pas se former de fissures parallèles à la surface du substrat, qui pourraient provoquer un détachement d'un segment, par éclatement En outre, lors de la dilatation thermique, les surfaces concaves présentent une répartition des contraintes dans la couche, plus favorable que les surfaces convexes, de sorte que l'on
évite un détachement de la couche, par éclatement.
Les nervures perpendiculaires à la surface du substrat peuvent, soit être usinées dans le substrat de base, soit être rapportées sur le substrat de base Dans le cas de nervures rapportées, la surface de substrat structurée est réalisée par des motifs en tôle, qui sont reliés à la surface de base Cette liaison peut avantageusement être une liaison de brasage ou de soudage Dans ce cas, le cordon de brasure ou de soudure peut avantageusement contribuer à former sur la surface de substrat, un fond constitué de cavités, entre les nervures En supplément, le substrat de base peut comporter sur ledit fond, une couche d'accrochage, qui
est recouverte par le revêtement céramique.
La couche de céramique dépasse les nervures de préférence d'environ 0,05 à 5 mm, et forme une surface plane Le revêtement céramique présente de préférence des fissures de segmentation s'étendant perpendiculairement à la surface de base, en prolongement vertical des nervures L'avantage de ceci réside dans le fait que les fissures verticales de segmentation exercent une action d'arrêt de fissuration pour des fissures dans le matériau céramique, parallèles
à la surface.
Le revêtement céramique peut, si nécessaire, présenter une couche de recouvrement métallique agissant en tant que protection contre la corrosion, ou porter des revêtements composites présentant des effets
abrasifs.
Le revêtement céramique constitue, de préférence, une couche d'isolation thermique, qui protège la pièce d'une sollicitation thermique
excessive.
La structuration conforme à l'invention, de la surface du substrat de base, est de préférence utilisée pour des anneaux de carter de groupe motopropulseur, des aubes de groupe motopropulseur, des carters de palier de groupe motopropulseur, ou des segments périphériques d'anneaux d'usure ou d'effleurement, qui portent un revêtement céramique Grâce à ce revêtement céramique segmenté de manière déterminée, on confère à ces pièces fortement sollicitées, dans le domaine des groupes motopropulseurs, une protection thermique durable. Un procédé de fabrication d'une pièce du type de celle mentionnée en introduction, comporte de préférence les étapes de procédé suivantes: a) structuration de la surface de substrat en y creusant ou en y rapportant des alvéoles ouvertes d'une structure, comportant, en guise de nervures, des parois d'alvéole faisant saillie perpendiculairement de la surface, et des cavités de préférence concaves, en guise de fond d'alvéole; b) application sur la surface de la pièce, du revêtement formé d'une couche continue de céramique, qui dépasse des nervures; c) segmentation de la couche de céramique continue, par conduite contrôlée de la température lors de l'application du revêtement, ou bien par traitement thermique. L'avantage de ce procédé réside dans le fait que la formation de zones de segmentation et de fissuration n'est pas laissée au hasard, quant à la direction, l'étendue, la grandeur des alvéoles et la forme des alvéoles, mais est au contraire réalisée par construction dans la couche de céramique, en tenant compte de l'aspect technique, de la résistance mécanique, et de l'aspect thermomécanique Le fond de l'alvéole est de préférence réalisée en tant que cavité concave, de sorte que l'on obtient avantageusement, lors de la sollicitation thermique engendrée en fonctionnement, dans la zone d'accrochage du revêtement, un état de contrainte optimal à l'encontre du
détachement du revêtement.
Si la structure est appliquée perpendiculairement sur la surface du substrat, on rapporte de préférence sur la surface de substrat, une structure en bandes, polygonale, en nid d'abeilles, en losanges ou circulaire, orientée perpendiculairement à la surface et formée de nervures, par exemple en tôle, cette structure étant ensuite fixée sur le substrat par brasage ou soudage Dans ce cas, il se forme un fond constitué de cavités A cet effet, les tôles sont configurées de manière telle, qu'elles forment des nervures à arêtes vives constituants des éléments d'amorçage de segmentation, de sorte que lors du traitement thermique final ou de la conduite contrôlée de la température pendant le revêtement, un effet d'entaille suffisant se propage à partir des nervures en faisant apparaître des fissures de segmentation
verticales, en prolongement des nervures.
Selon une autre mise en oeuvre du procédé, l'on usine dans la surface de substrat un motif en bandes, polygonal, en nid d'abeilles, en losanges ou circulaire, formé de nervures Ce motif peut être réalisé par déformation mécanique, par rectification ou fraisage, ou bien par voie électrochimique ou par électroérosion Le substrat de base est de préférence pourvu, à cette occasion, de cavités concaves, et les bords des cavités sont réalisées sous formes de nervures verticales. Lors de l'application du revêtement formé d'une couche de céramique continue, sur la surface de substrat, on produit de préférence la formation de zones de moindre résistance, verticalement au-dessus des nervures Cela permet de contribuer avantageusement à la formation ultérieure souhaitée, des fissures A cet effet, il est nécessaire de sélectionner de manière appropriée, les paramètres du processus d'application du revêtement, tels que l'angle de pulvérisation, la distance de la buse à la pièce ou le type de buse, par exemple lors d'une application par pulvérisation ou d'une pulvérisation par plasma à basse pression, de sorte que le revêtement présente au-dessus des nervures, des défauts accentués, tels qu'une porosité accrue ou
une structure lamellaire plus marquée.
Pour segmenter la couche de céramique continue, la pièce est de préférence chauffée à une température de 200 à 10000 C, et est refroidie jusqu'à la température ambiante avec une vitesse de refroidissement de 120 à 600 OC/heure La température de chauffage dépend de la température de la pièce lors de l'application du revêtement La température de chauffage se situe de préférence à au moins 100 C au-dessus de la température
du substrat de base lors de l'application du revêtement.
Lors du chauffage, le substrat de base se dilate plus fortement que le revêtement céramique, ce qui induit des contraintes thermiques dans le revêtement, qui, à partir des nervures verticales faisant office d'éléments d'amorçage de fissures de segmentation, sont éliminées par la formation de fissures de segmentation, dans le
prolongement vertical des nervures.
Un autre procédé préféré prévoit que pour la segmentation du revêtement, la pièce est maintenue, pendant l'application du revêtement, à une température de 100 à 800 C, alors que la température du revêtement appliqué est supérieure d'au moins 1000 C Ensuite, le revêtement est refroidi avec une vitesse de refroidissement de 180 à 600 'C/heure, supérieure à la vitesse de refroidissement du substrat de base, qui est de 60 à 120 C/heure La vitesse de refroidissement supérieure du revêtement permet d'induire avantageusement des contraintes thermiques élevées dans le revêtement, qui produisent la formation de fissures à
partir des arêtes vives sur le substrat de base.
L'invention va être explicitée plus en détail dans la suite, au regard d'exemples de réalisation représentés sur les dessins annexés, qui montrent: Fig 1 un substrat de base métallique, dans lequel ont été usinées des cavités et comportant des
nervures verticales.
Fig 2 un substrat de base comportant des nervures verticales rapportées et un revêtement céramique. Fig 3 le bord d'entrée d'une aube présentant une structuration de la surface du substrat de
base et un revêtement céramique segmenté.
La figure 1 montre un substrat de base métallique 1 dans lequel ont été usinées des cavités 2, et comportant des nervures 3 sur les bords des cavités 2 La surface est structurée par un grand nombre de nervures verticales 3, selon un motif en losanges, la valeur maximale de la diagonale d'un losange mesurant ici 3 mm Les nervures 3 font saillie de la surface de base 4, d'une hauteur h de 200 pm La partie représentée d'un substrat de base 1, constitue une partie d'une pièce comportant un revêtement céramique (non représenté), qui remplit complètement les cavités, et présente une épaisseur sensiblement plus importante que la hauteur h des nervures 3 La structuration en forme le de losanges, de la surface du substrat de base a été
obtenue par déformation à l'aide d'un outil de forgeage.
La figure 2 montre un substrat de base 1 sur lequel ont été rapportées des nervures 3 et un revêtement céramique 5 Pour la fabrication de cette pièce 6 constituée d'un substrat de base métallique 1 comportant un revêtement céramique 5, la surface de substrat 7 est tout d'abord structurée en y rapportant des nervures 3 A cet effet, des tôles 8 d'une hauteur h de 1,5 mm sont brasées sur la surface de substrat 7, selon un motif en bandes, en étant espacées de 5 mm La brasure 9 forme, au pied de chaque tôle 8, un cordon qui confère une forme de cavité au fond de chaque bande Les bords supérieurs des tôles 8 sont rectifiés après leur
brasage, de manière à former des arêtes vives.
Ensuite, la surface du substrat de base 1 structuré, est revêtue par pulvérisation au plasma, d'une couche continue de céramique 5 en oxyde de zirconium stabilisé à l'yttrium Le substrat de base 1 structuré est maintenu à 350 C lors de l'application du revêtement Les nervures verticales 3 sont à cette occasion, recouvertes par la couche de céramique 5 qui atteint une épaisseur de couche d de 3 mm Déjà lors de l'opération de pulvérisation, il se forme au-dessus des nervures 3 des tôles 8, des zones 10 de moindre résistance, en raison d'une formation de pores plus importante. Finalement, la couche continue de céramique 5 est segmentée par traitement thermique A cet effet, la pièce 6 est chauffée à 600 C, et est refroidie jusqu'à température ambiante avec une vitesse de refroidissement de 180 OC/heure Dès le chauffage, il se forme, en prolongement des nervures verticales 3, des fissures de segmentation qui se prolongent jusqu'à la surface 11 du revêtement. Dans ce cas, la pièce est un anneau périphérique fermé, d'un étage de turbine, réalisé en un
alliage à base de titane.
La figure 3 montre le bord d'entrée 12 d'une aube, qui présente une courbure convexe extrême, et constitue ainsi un risque accru pour l'accrochage de revêtements céramiques Cette surface de substrat présentant une répartition des contraintes défavorable lors d'une sollicitation thermique, entre le substrat de base 1 et le revêtement, est transformée, par la structuration de la surface 7 du substrat de base 1, en une surface de courbure concave dans des zones de très petites dimensions, et est pourvue d'un revêtement céramique 5 segmenté Les fissures de segmentation 13 du
revêtement 5, ayant été créées de manière déterminée au-
dessus des nervures verticales 3, s'élargissent pour les températures de fonctionnement, et se ferment à la température ambiante, sans qu'il se forme des fissures
parallèlement à la surface du substrat.
Une détérioration de la couche de céramique 5 est uniquement encore possible lorsqu'en cours de fonctionnement, des gouttelettes de matériau en fusion ou des particules se déposent sur les fissures de segmentation 13 et entravent la fermeture des fissures de segmentation 13, lors du refroidissement jusqu'à la température ambiante Pour cette raison, il est possible, en vue de réaliser une protection, de déposer sur la couche de céramique 5, une mince couche de recouvrement métallique, qui, aux températures de fonctionnement, est suffisamment ductile ou élastique et n'entrave pas l'ouverture et la fermeture des fissures de segmentation 13, mais empêche la pénétration de corps étrangers.

Claims (14)

REVENDICATIONS.
1 Pièce en un substrat de base métallique comportant un revêtement céramique, caractérisée en ce que la surface de substrat ( 7) est structurée par un grand nombre de nervures ( 3) faisant saillie perpendiculairement d'une surface de base ( 4), et dont la hauteur au-dessus de la surface de base ( 4) est
inférieure à l'épaisseur du revêtement ( 5).
2 Pièce selon la revendication 1, caractérisée en ce que la surface de substrat ( 7) structurée présente un motif en bandes, formé par des
nervures ( 3).
3 Pièce selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la surface de substrat ( 7) structurée présente un motif en losanges, formé par des
nervures ( 3).
4 Pièce selon l'une des revendications 1 à 3,
caractérisée en ce que la surface de substrat ( 7) structurée présente un motif polygonal, en nid
d'abeilles ou circulaire, formé par des nervures ( 3).
5 Pièce selon l'une des revendications 1 à 4,
caractérisée en ce que la surface de substrat ( 7) structurée est constituée de cavités concaves ( 2) dont les bords présentent des nervures ( 3) faisant saillie
perpendiculairement de la surface de substrat ( 7).
6 Pièce selon l'une des revendications 1 à 5,
caractérisée en ce que la surface de substrat ( 7) structurée est réalisée par des motifs en tôle, qui sont
reliés à la surface de base ( 4).
7 Pièce selon l'une des revendications 1 à 6,
caractérisée en ce que le substrat de base ( 1) comporte une couche d'accrochage, qui est recouverte par le revêtement céramique ( 5).
8 Pièce selon l'une des revendications 1 à 7,
caractérisée en ce que le revêtement céramique ( 5) présente des fissures de segmentation s'étendant perpendiculairement à la surface de base ( 4), dans le
prolongement vertical des nervures ( 3).
9 Pièce selon l'une des revendications 1 à 8,
caractérisée en ce que le revêtement céramique ( 5)
constitue une couche d'isolation thermique.
Pièce selon l'une des revendications 1 à
9, caractérisée en ce que la pièce ( 6) est un anneau de carter de groupe motopropulseur, une aube de groupe motopropulseur, un carter de palier de groupe motopropulseur, ou un segment périphérique d'un anneau
d'usure ou d'effleurement.
11 Procédé de fabrication d'une pièce selon
l'une des revendications 1 à 10, caractérisé par les
étapes de procédé suivantes: a) structuration de la surface de substrat ( 7) en y creusant ou en y rapportant des alvéoles ouvertes d'une structure, comportant, en guise de nervures ( 3), des parois d'alvéole faisant saillie perpendiculairement de la surface, et des cavités ( 2) de préférence concaves, en guise de fond d'alvéole; b) application sur la surface de la pièce, du revêtement formé d'une couche continue de céramique ( 5), qui dépasse des nervures ( 3); c) segmentation de la couche de céramique ( 5) continue, par conduite contrôlée de la température lors de l'application du revêtement, ou bien par traitement thermique. 12 Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'on rapporte sur la surface de substrat ( 7), une structure en bandes, polygonale, en nid d'abeilles, en losanges ou circulaire, orientée perpendiculairement à la surface et formée de nervures ( 3). 13 Procédé selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce que l'on usine dans la surface de substrat ( 7) un motif en bandes, polygonal, en nid d'abeilles, en losanges ou circulaire, formé de nervures ( 3).
14 Procédé selon l'une des revendications il
à 13, caractérisé en ce que la surface de substrat ( 7) structurée est pourvues de cavités concaves ( 2), obtenues par usinage dans la surface de substrat ( 7), ou
bien en étant rapportées sur la surface de substrat ( 7).
15 Procédé selon l'une des revendications 11
à 14, caractérisé en ce que lors de l'application du revêtement formé d'une couche de céramique ( 5) continue, sur la surface de substrat ( 7), des zones ( 10) de
moindre résistance sont réalisées verticalement au-
dessus des nervures ( 3).
16 Procédé selon l'une des revendications il
à 15, caractérisé en ce que pour segmenter la couche de céramique ( 5) continue, la pièce ( 6) est chauffée à une température de 200 à 1000 'C, et est refroidie jusqu'à la température ambiante avec une vitesse de refroidissement
de 120 à 600 C/heure.
17 Procédé selon l'une des revendications 11
à 16, caractérisé en ce que pour la segmentation, la pièce est maintenue, pendant l'application du revêtement, à une température de 100 à 800 C, alors que la température du revêtement ( 5) appliqué est supérieure d'au moins 100 C, et qu'ensuite, le revêtement est refroidi avec une vitesse de refroidissement de 180 à 300 C/heure, qui est supérieure à la vitesse de refroidissement du substrat de base ( 1) qui est de 60 à
C/heure.
FR9313420A 1992-11-13 1993-11-10 Piece en un substrat de base metallique comportant un revetement ceramique. Expired - Fee Related FR2698105B1 (fr)

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