FR2848575A1 - Materiau pulverulent pour joint d'etancheite abradable - Google Patents

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Abstract

Matériau pulvérulent destiné à la formation d'un revêtement abradable, comprenant une poudre métallique majoritairement à base d'aluminium et contenant du fer ou du manganèse ou du calcium. Application à des joints d'étanchéité de turbomachine.

Description

Arrière-plan de l'invention
La présente invention se rapporte au domaine général des matériaux pulvérulents destinés à la formation de joints d'étanchéité abradables. Elle trouve son application notamment dans le domaine des 10 turbomachines.
Les matériaux ayant une propriété d'abradabilité sont couramment utilisés dans de nombreuses applications, et notamment pour la formation de joints d'étanchéité. Les joints d'étanchéité abradables sont en particulier utilisés au niveau des parties rotatives d'une turbomachine, 15 telles que les compresseurs, afin de réduire les fuites d'air ou de gaz pouvant affecter le rendement de la turbomachine. Un compresseur de turbomachine consiste en une pluralité d'aubes fixées sur un arbre qui est monté dans un anneau fixe. En fonctionnement, l'arbre et les aubes tournent à l'intérieur de l'anneau de compresseur.
Pour garantir un rendement efficace de la turbomachine, il est important de réduire le plus possible les fuites d'air et de gaz dans les sections de compression de la turbomachine. Cette réduction des fuites s'obtient en minimisant le jeu existant d'une part entre le sommet des aubes et la surface interne de l'anneau de compresseur et d'autre part 25 entre les viroles inter-disques et la surface externe du redresseur.
Cependant, la dilatation thermique et centrifuge des aubes des compresseurs rend difficile l'obtention de faibles jeux entre le sommet des aubes et la surface interne de l'anneau de compresseur. Dans ces conditions, la surface interne de l'anneau de compresseur est 30 généralement recouverte d'un revêtement en matériau abradable et l'arbre du compresseur est monté dans l'anneau de compresseur de sorte que le sommet des aubes soit le plus proche possible du revêtement abradable. Le rôle d'un tel revêtement abradable est donc de former un joint d'étanchéité entre les parties fixes et les parties mobiles des 35 compresseurs d'une turbomachine.
En effet, dans le cas de contacts entre les parties fixes et mobiles du compresseur, le joint d'étanchéité en matériau abradable permet d'obtenir un jeu réduit sans pour autant détériorer les pièces du rotor entrant en contact. Les interférences entre les parties fixes et 5 mobiles des compresseurs sont dues essentiellement aux dilatations différentielles des parties fixes et mobiles lors de régimes transitoires de fonctionnement des compresseurs. Des phénomènes de fluage des aubes, de balourd et de vibration peuvent également engendrer de telles interférences. Dans ces situations d'interférences, il est important que les 10 joints d'étanchéité répondent aux critères suivants: - le sommet des aubes ne doit pas subir d'usure trop importante. En effet, bien qu'une faible usure soit tolérée, il est préférable, lors d'un contact, que ce soit le joint d'étanchéité qui soit endommagé; - les contacts entre le sommet des aubes et les joints ne doivent pas 15 engendrer d'échauffement des aubes, notamment dans le cas d'aubes en alliage de titane pour lesquelles de tels échauffements peuvent conduire à un début de feu; - les joints d'étanchéité doivent résister à l'érosion provoquée par le flux gazeux circulant dans la veine du compresseur; - les joints d'étanchéité doivent également conserver les propriétés d'abradabilité dans un environnement oxydant et corrosif. En effet, l'élévation de la température dans les compresseurs provoque une oxydation et les gaz de combustion de la turbomachine ainsi que l'air extérieur engendrent une corrosion de l'environnement; - en cas d'usure des joints d'étanchéité, les résidus ne doivent pas provoquer l'obstruction des orifices destinés au refroidissement des compresseurs; - enfin, le matériau abradable formant les joints d'étanchéité doit résister aux fortes températures sans présenter de modifications telles que le 30 durcissement, la fragilisation et la décohésion qui pourraient dégrader ses capacités d'abradabilité. Le matériau abradable doit en effet être capable de supporter les différents cycles de fonctionnement de la turbomachine sans se dégrader.
De nombreux matériaux pulvérulents destinés à la formation de 35 joints d'étanchéité abradables ont été proposés. Ces différents matériaux peuvent se classer principalement en deux catégories: les matériaux ayant une poudre métallique à base de silicium (par exemple, un matériau comprenant un alliage AISi et une poudre organique) et les matériaux ayant une poudre métallique à base de chrome et de nickel (par exemple, un matériau contenant un alliage en NiCrAI et une poudre céramique, 5 organique ou argile). Ces matériaux abradables présentent toutefois des inconvénients selon la catégorie à laquelle ils appartiennent. En effet, les matériaux à base de silicium possèdent des caractéristiques d'abradabilité et d'érosion satisfaisantes mais leur utilisation à des températures élevées est limitée. On connaît, par exemple, le matériau pulvérulent décrit dans le 10 brevet US 5,434,210. Ce matériau est limité à une température d'utilisation de 4000C environ. Au-dessus de cette température, la matrice métallique de ce matériau se rétracte et se densifie ce qui peut entraîner des usures sur le sommet des aubes en vis- à-vis. Quant aux matériaux à base de chrome et de nickel, ils sont relativement stables et résistants à 15 haute température mais présentent de trop faibles caractéristiques d'abradabilité et d'érosion, notamment lorsqu'ils sont déposés en regard d'aubes de compresseur en alliage de titane non revêtues. Par exemple, un alliage NiCrAI, bien qu'ayant un bon comportement en température, est relativement dur et provoque ainsi des usures trop importantes des aubes. 20 Pour pallier un tel inconvénient, il est possible d'avoir recours à un revêtement protecteur au sommet des aubes. Cependant, l'utilisation d'un tel revêtement est particulièrement coteuse.
Objet et résumé de l'invention La présente invention a donc pour objet un matériau pulvérulent destiné à la formation d'un revêtement abradable pour joints d'étanchéité qui répondent aux critères énumérés ci-dessus.
Un autre objet de l'invention est de former un revêtement 30 abradable qui présente une tenue satisfaisante pour des applications à des températures pouvant atteindre 5500C.
Encore un autre objet de l'invention est de réaliser un joint d'étanchéité abradable utilisable face à des aubes ou des léchettes en alliage de titane sans avoir recours à un revêtement protecteur au sommet 35 de celles-ci.
A cet effet, il est prévu un matériau pulvérulent destiné à la formation d'un revêtement abradable, caractérisé en ce qu'il comprend une poudre métallique majoritairement à base d'aluminium et contenant du fer ou du manganèse ou du calcium.
Les propriétés thermiques de ce nouveau matériau pulvérulent sont supérieures à celles des matériaux actuellement utilisés pour la formation de joints abradables. La déposante a en effet remarqué que la température du palier eutectique d'un alliage AlFe, AlMn ou AlCa est suffisamment élevée comparée à celle d'un alliage AISi par exemple, de 10 sorte qu'elle permet d'atteindre des températures de l'ordre de 5501C sans transformation ni dégradation du matériau.
Avantageusement, une poudre organique est ajoutée afin d'augmenter la porosité du revêtement obtenu, de favoriser l'abradabilité lors de contacts entre parties fixes et mobiles et de permettre l'élévation 15 en température du revêtement.
De plus, l'ajout d'une poudre lubrifiante en céramique solide permet avantageusement d'obtenir une décohésion inter-lamellaire suffisante pour ne pas générer d'échauffement au niveau des aubes lors de contacts entre parties fixes et mobiles. Le matériau pulvérulent obtenu 20 répond ainsi aux critères mentionnés ci-dessus. Il est parfaitement adapté à la formation d'un revêtement abradable, notamment pour les joints d'étanchéité des compresseurs d'une turbomachine.
Avantageusement, la poudre céramique comprend l'un des composants suivants: nitrure de bore, disulfure de molybdène, graphite, 25 talc, bentonite, et mica, et la poudre organique comprend l'un des composants suivants: polyester, polyméthylméthacrylate, et polyimide.
De préférence, la poudre métallique représente entre 65% et 95%, la poudre céramique entre 3% et 20% et la poudre organique entre 5% et 20% du poids total du matériau.
La poudre métallique peut comprendre en outre l'un ou plusieurs des éléments additionnels suivants: chrome, molybdène, nickel et silicium. Le fer, le manganèse ou le calcium formant la poudre métallique représente avantageusement entre 5% et 20% et le ou les éléments additionnels représentent au plus 10% du poids de la poudre 35 métallique.
Dans un mode préféré de réalisation de l'invention, la poudre métallique est un alliage AIMn5, la poudre céramique est du nitrure de bore hexagonal et la poudre organique est du polyester.
Description détaillée d'un mode de réalisation Le matériau pulvérulent selon l'invention est destiné à former un matériau abradable tel qu'un revêtement pour joints d'étanchéité de compresseurs ou d'anneaux de turbine par exemple. Le matériau 10 pulvérulent se compose essentiellement d'une poudre métallique en alliage majoritairement à base d'aluminium. Le deuxième élément métallique principal de cet alliage peut être du fer, du manganèse ou du calcium, à hauteur de 5% à 20% en poids de la poudre métallique. La poudre métallique (de type AlFe, AIMn ou AlCa) peut en outre comporter 15 un ou plusieurs des éléments métalliques additionnels suivants: chrome, molybdène, nickel et silicium. La quantité individuelle de chacun de ces éléments additionnels n'excède pas 5% du poids de la poudre métallique, et la quantité cumulée de ces éléments additionnels ne dépasse pas 10% de ce même poids.
De préférence, le matériau pulvérulent comporte en outre une poudre organique comprenant l'un ou plusieurs des composants suivants: polyester, polyméthylméthacrylate, et polyimide. Elle peut également être composée de tout autre matériau de type polymère, par exemple du polyéthylène, du polyacétate de vinyle ou du polyaramide.
De plus, une poudre céramique peut être avantageusement ajoutée. Elle comprend l'un ou plusieurs des composants choisis dans le groupe des lubrifiants céramiques solides suivant: nitrure de bore, disulfure de molybdène, graphite, talc, bentonite, et mica. Elle peut également être composée d'autres matériaux stratifiés à base de silicates 30 comme par exemple du kaolin et d'autres argiles.
Les poudres métallique, lubrifiante et organique ainsi préparées sont mélangées de préférence dans les proportions suivantes: la poudre métallique représente entre 65% et 90% du poids total du matériau, la poudre céramique varie entre 50/o et 20% et la poudre organique entre 35 50/o et 15%. Le mélange des poudres peut être réalisé mécaniquement. Ce procédé consiste à mélanger mécaniquement les différents composants et, grâce aux forces de compression et de cisaillement généré par le mélangeur, à obtenir des agglomérats constitués par chacun des composants initiaux. Cependant, le mélange peut également être obtenu par un autre procédé comme l'agglomération-séchage ou la fusion5 broyage.
Selon un mode de réalisation préféré, le matériau pulvérulent se compose d'une poudre métallique en alliage d'aluminium et de manganèse (AiMn5), d'une poudre céramique en nitrure de bore hexagonal (hBN) et d'une poudre organique en polyester (PE). Avantageusement, l'alliage 10 AIMn représente environ 75% du poids total du matériau, le nitrure de bore hexagonal représente environ 15% du poids total et le polyester représente environ 10% du poids total du matériau.
Le matériau pulvérulent ainsi obtenu est destiné à être pulvérisé thermiquement selon des techniques connues (par plasma ou par flamme 15 par exemple) afin de former un revêtement abradable. Il peut être avantageux de faire subir au revêtement abradable un traitement thermique de sublimation afin de créer des cavités dans le matériau et ainsi d'augmenter son taux de porosité. Cette sublimation a pour effet d'éliminer la poudre organique afin d'effectuer des essais dans des 20 conditions d'utilisation proches de la réalité dans laquelle le composant organique est nécessairement éliminé. Essai
Un mélange pulvérulent destiné à la projection thermique a été 25 préparé en mélangeant mécaniquement 75% en poids d'une poudre AIMn5 avec 10% en poids de PE et 15% en poids de hBN. Un substrat en à base Nickel a été revêtu d'une sous couche NiAI5. La poudre ainsi obtenue a ensuite été pulvérisée par plasma sur ce substrat. Les paramètres de pulvérisation utilisés lors de cet essai sont regroupés dans 30 le tableau suivant: Gaz du plasma Argon Hydrogène Débits (L/min)50-70 2,5-5 Pression (kPa) 100150 120-170 Intensité (A) 500 Tension (V) 31 Distance de projection 130 mm Les paramètres de l'injecteur utilisé sont les suivants: Diamètre de la buse 6 mm Taille de l'injecteur 2 mm Angle de l'injecteur 90 degrés Vitesse de déplacement 1600 mm/s Intervalle de balayage 5,5 mm Le revêtement obtenu suite à cette pulvérisation forme un revêtement abradable qui présente une épaisseur de 3 mm environ. La dureté du revêtement a été mesurée en utilisant l'échelle d'indentation R15Y de Rockwell qui indique la dureté d'un revêtement. Dans le cas présent, le revêtement testé présente une valeur d'indentation R15Y de 10 l'ordre de 70 environ.
L'échantillon de substrat ainsi revêtu a ensuite subi une étape de sublimation à 500C durant quatre heures. A l'issue de cette sublimation, le revêtement présente une valeur d'indentation R15Y de l'ordre de 60 environ.
Le revêtement a été évalué sur un banc d'abradabilité en regard d'aubes en alliage de titane non revêtues. L'aptitude à l'usure de ce joint d'étanchéité a été mesurée dans les conditions d'essais suivantes: Température d'essai Température ambiante Nombre d'aubes 3 Epaisseur des aubes 0,8 mm Vitesse des extrémités des aubes 200 m/s Vitesse d'incursion 0,15 mm/s Pénétration 0,5 mm Les différentes mesures effectuées ont porté sur les points suivants: efforts dans les trois axes (pénétration Fp, coupe Fco et chariotage Fch) et mesure de l'usure des aubes. Le tableau I ci-dessous illustre ces résultats, en comparaison avec les résultats réalisé sur un revêtement connu formé d'un mélange AlSi, d'une poudre organique et de nitrure de bore hexagonal (tableau II). Tableau I: Etat du Efforts (Newton) Usure des aubes (mm) revêtement Fp Fco Fch N 01 N 2 N 3 Non vieilli 3,2 3,2 2,9 +0,01 +0,03 +0,01 250 heures à 2,85 4 2,4 +0,01 +0,03 +0,05 500 C 500 heuresà 500hueC à 2,6 5,6 2,5 0 +0,02 +0,01 5000C 500 heuresà 5500heC à 3,5 3,7 4,9 +0,01 +0,01 0 5500C
Tableau II:
Etat du Efforts (Newton) Usure des aubes (mm) revêtement Fp Fco Fch N01 N 2 N 3 Non vieilli 1il 2,25 0,5 O O -0,01 250 heures à 500hueC à 8,7 2,8 0,5 +0,02 +0,03 +0,02 500 C 500 heuresà 4 2,8 0,5 +0,02 0 0 5000C Au regard de ces résultats, le joint d'étanchéité abradable ainsi obtenu présente de bonnes propriétés de résistance à l'érosion par rapport au joint classique du tableau II. Il est capable d'usure par contact avec des aubes en alliages métalliques, notamment en alliages de titane non revêtus, sans provoquer d'usure de ces dernières. La stabilité métallurgique de ce joint d'étanchéité lui permet encore de résister à des températures élevées de l'ordre de 5500C, contrairement au joint classique du tableau II qui ne peut pas supporter des températures aussi élevées.

Claims (15)

REVENDICATIONS
1. Matériau pulvérulent destiné à la formation d'un revêtement abradable, caractérisé en ce qu'il comprend une poudre métallique 5 majoritairement à base d'aluminium et contenant du fer ou du manganèse ou du calcium.
2. Matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fer, le manganèse ou le calcium de ladite poudre métallique représente 10 entre 5% et 20% du poids de ladite poudre métallique.
3. Matériau selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une poudre organique.
4. Matériau selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite poudre organique représente entre 5% et 15% du poids total dudit matériau.
5. Matériau selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en 20 ce que ladite poudre organique comprend l'un des composants suivants: polyester, polyméthylméthacrylate, et polyimide.
6. Matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une poudre céramique. 25
7. Matériau selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite poudre céramique représente entre 5% et 20% du poids total dudit matériau.
8. Matériau selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que ladite poudre céramique comprend l'un des composants suivants nitrure de bore, disulfure de molybdène, graphite, talc, bentonite, et mica.
9. Matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, 35 caractérisé en ce que ladite poudre métallique comprend en outre l'un ou il plusieurs des éléments additionnels suivants: chrome, molybdène, nickel et silicium.
10. Matériau selon la revendication 9, caractérisé en ce que le 5 ou les éléments additionnels de ladite poudre métallique représentent au plus 10% du poids de ladite poudre métallique.
11. Matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ladite poudre métallique représente entre 65% et 10 90% du poids total dudit matériau.
12. Matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que ladite poudre métallique est un alliage AIMn5.
13. Matériau selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comporte en outre du nitrure de bore hexagonal et du polyester.
14. Matériau selon la revendication 13, caractérisé en ce que ledit alliage AIMn5 représente 75% du poids total du matériau, ledit 20 nitrure de bore hexagonal représente 15% du poids total du matériau et ledit polyester représente 10% du poids total du matériau.
15. Revêtement abradable pour joint d'étanchéité, caractérisé en ce qu'il est obtenu par pulvérisation thermique d'un matériau 25 pulvérulent selon l'une quelconque des revendications 1 à 14.
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