FR2932496A1 - Procede de depot d'une barriere thermique - Google Patents
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Abstract
Procédé de dépôt d'une barrière thermique sur un substrat métallique, cette barrière thermique comprenant une sous-couche métallique recouvrant le substrat et une couche de céramique recouvrant ladite sous couche, dans lequel : - on dépose sur le substrat un premier revêtement métallique, dans le but de former ladite sous-couche métallique par inter-diffusion entre le substrat et le premier revêtement, - on dépose sur le premier revêtement, un deuxième revêtement en céramique, dans le but de former ladite couche de céramique, et - on soumet le substrat et lesdits revêtements à un frittage flash, de manière à assurer la cohésion de l'ensemble. Utilisation de ce procédé pour déposer une barrière thermique sur une aube de turbine.
Description
L'invention concerne un procédé de dépôt d'une barrière thermique sur un substrat métallique. Elle se destine à tout type de substrat métallique et, plus particulièrement, aux substrats en superalliage tels que les pièces de turbomachine aéronautique ou terrestre, soumises à de hautes températures en fonctionnement. Notamment, ledit substrat métallique peut être une aube de turbine de turboréacteur ou de turbopropulseur d'avion. Dans le domaine de l'aéronautique, les pales des aubes (mobiles ou fixes) de la turbine haute pression d'une turbomachine évoluent dans un environnement agressif composé de gaz à très haute température (plus de 1000°C), éjectés à haute vitesse. Dans cet environnement, les aubes doivent conserver leurs propriétés mécaniques, et résister aux phénomènes de corrosion. Ces aubes sont généralement réalisées en un superalliage résistant à haute température (il s'agit généralement d'un superalliage de base nickel (Ni), idéalement monocristallin). Toutefois, même les superalliages les plus performants actuellement ont, dans cet environnement agressif, des performances mécaniques et une durée de vie insuffisantes. Pour cette raison, il est nécessaire de recouvrir ces superalliages d'une barrière thermique. Les barrières thermiques utilisées actuellement sont réalisées en déposant sur un substrat une couche de céramique. Cette couche de céramique est typiquement à base de zircone (oxyde de zirconium ZrO2). Elle assure l'isolation thermique du substrat et permet de maintenir ce dernier à des températures où ses performances mécaniques et sa durée de vie sont acceptables. Afin d'assurer l'ancrage de cette couche de céramique, une sous- couche métallique est généralement interposée entre le substrat et la couche de céramique. Cette sous-couche assure l'adhérence entre le substrat et la couche de céramique, sachant que l'adhérence entre la sous-couche et le substrat se fait par interdiffusion, et que l'adhérence entre la sous-couche et la couche céramique se fait par ancrage mécanique et par la propension de la sous-couche à développer à haute température, à l'interface céramique/souscouche, une couche d'oxyde mince qui assure le contact chimique avec la céramique. En outre, cette sous-couche métallique assure la protection du substrat contre les phénomènes de corrosion. Typiquement, cette sous-couche métallique est un aluminiure de nickel modifié platine (Ni, Pt)Al.
Aujourd'hui, il est connu de déposer sur un substrat en superalliage de base Ni, une barrière thermique qui comprend une sous-couche métallique en (Ni, Pt)Al recouvrant le substrat et une couche de céramique à base de ZrO2 recouvrant ladite sous couche, selon un procédé comprenant les étapes suivantes: la préparation de la surface du substrat par décapage chimique et sablage; le dépôt sur le substrat, par électrolyse, d'un revêtement de platine (Pt); le traitement thermique éventuel de l'ensemble pour faire diffuser Pt dans le substrat; le dépôt d'aluminium (Al) par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) ou par dépôt physique en phase vapeur (PVD); le traitement thermique éventuel de l'ensemble pour faire diffuser Pt et Al dans le substrat; la préparation de la surface de la sous-couche métallique formée; et le dépôt par évaporation sous faisceau d'électrons (EB-PVD) d'un revêtement en céramique. Ce procédé connu a pour inconvénient d'être long et complexe à mettre en oeuvre, notamment en raison de ses nombreuses étapes. On connaît par ailleurs, la publication intitulée "Oxidation resistant Aluminized MCrAIY coating prepared by Spark Plasma Sintering (SPS)" de Djar Oquab, Claude Estournes et Daniel Monceau (publiée en 2007 dans la revue Advanced Engineering Materials 2007, 9, No. 5) qui divulgue un procédé de dépôt d'un revêtement métallique en MCrAIY (où M = Co, Ni ou Co/Ni) sur un superalliage de base Ni, dans lequel on soumet le substrat et le revêtement à un frittage flash ou frittage SPS (pour "Spark Plasma Sintering"). Cette publication ne donne cependant aucune information sur le dépôt d'une barrière thermique (complète) comprenant une sous-couche métallique et une couche de céramique. L'invention a pour but de proposer un nouveau procédé de dépôt d'une barrière thermique (complète) sur un substrat métallique, cette barrière thermique comprenant une sous-couche métallique recouvrant le substrat et une couche de céramique recouvrant ladite sous couche. Ce nouveau procédé est tel que: - on dépose sur le substrat un premier revêtement métallique, dans le but de former ladite sous-couche métallique par inter-diffusion entre le substrat et le premier revêtement, - on dépose sur le premier revêtement, un deuxième revêtement en céramique, dans le but de former ladite couche de céramique, et - on soumet le substrat et lesdits revêtements à un frittage flash, de manière à assurer la cohésion de l'ensemble.
Dans la présente demande, une partie (i.e. substrat, revêtement, sous-couche, etc.) est dite métallique lorsqu'elle est en métal, en alliage et/ou en composé intermétallique. L'étape de frittage flash permet aux éléments du substrat et du premier revêtement d'inter-diffuser pour former ladite sous-couche et elle permet de former une liaison entre le substrat et le premier revêtement et entre les premier et deuxième revêtements. De plus, cette étape de frittage flash permet de densifier les revêtements qui sont sous forme de poudre. Tout ceci s'effectue en une seule étape qui ne dure généralement que quelques minutes, ce qui présente un grand intérêt pratique. D'une manière générale, le procédé de l'invention a pour avantage d'être simple, rapide, et reproductible. En outre, le frittage flash simultané desdits revêtements permet d'obtenir des porosités différentes dans la sous-couche métallique et dans la couche de céramique formées, à savoir une porosité très faible, voire nulle, dans la sous-couche métallique et une porosité élevée dans la couche de céramique. Ceci présente un avantage car plus la porosité dans la sous-couche métallique est faible, plus cette sous-couche protège contre la corrosion et l'oxydation. Inversement, une porosité élevée dans la couche de céramique formée contribue à une faible conductivité thermique de cette couche, et donc à une bonne protection thermique du substrat. Selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, le premier revêtement se présente sous la forme d'une ou de plusieurs feuilles métalliques superposées et/ou sous la forme d'une poudre métallique, éventuellement en suspension dans un liquide ou un gel. Lorsque le premier revêtement se présente sous la forme d'une ou de plusieurs feuilles métalliques superposées, il présente l'avantage d'être facile à déposer. En outre, sous cette forme, il est facile de contrôler la quantité de matière déposée et l'épaisseur de la sous-couche en contrôlant l'épaisseur initiale de la (des) feuille(s) utilisée(s). Lorsque plusieurs feuilles métalliques sont superposées, elles sont avantageusement de compositions différentes. Par exemple, on peut utiliser une feuille en Al et une feuille en Pt. Dans ce cas, la composition de la sous-couche est contrôlée par le rapport entre les épaisseurs des feuilles utilisées.
Le premier revêtement peut également se présenter sous la forme d'une poudre métallique, éventuellement en suspension dans un liquide ou un gel. De même, le deuxième revêtement peut se présenter sous la forme d'une poudre céramique, éventuellement en suspension dans un liquide ou un gel (i.e. une barbotine). Sous forme de poudre, les revêtements peuvent être déposés facilement, par exemple par pulvérisation ou à l'aide d'un pinceau. De plus, la composition des poudres et, donc, des revêtements déposés, est facilement maîtrisée.
Le premier revêtement peut également se présenter sous la forme d'une poudre métallique superposée à une (ou plusieurs) feuille métallique. Pour déposer les premier et deuxième revêtements, il n'est donc pas nécessaire d'avoir recours à des techniques de dépôt complexes comme le dépôt physique ou chimique en phase vapeur (CVD ou PVD), le dépôt par projection HVOF (pour "High Velocity Oxy-Fuel"), le dépôt électrolytique, etc., qui sont souvent longues à mettre en oeuvre et avec lesquelles il est souvent difficile de maîtriser la composition du dépôt effectué. Selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, le substrat est un superalliage de base Ni et le premier revêtement comprend de l'aluminium associé à au moins un élément choisi parmi : Pt, Pd, Ir, Rh et Ru. On obtient ainsi une sous-couche en aluminiure de nickel modifié. Ainsi, si on note M ledit élément choisi parmi Pt, Pd, Ir, Rh et Ru, on obtient un aluminiure de nickel modifié (Ni, M) Al. Selon un autre mode de mise en oeuvre le premier revêtement est en alliage Ni-M-AI-Cr où M est au moins un élément choisi parmi : Pt, Pd, Ir, Rh et Ru. Selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, pour obtenir une microstructure particulière dans la sous-couche, on soumet, après l'étape de frittage, le substrat et la barrière thermique à un traitement thermique de manière à influer sur l'inter-diffusion entre le substrat et le premier revêtement. En particulier, lorsque la sous-couche est en aluminiure de nickel modifié platine (Ni, Pt)Al, ce traitement thermique permet d'obtenir la ou les phases souhaitées (notamment une combinaison des phases y-Ni, y'-Ni3AI, 13-NiAI, a-NiPtAI, PtAI2) parmi les phases du diagramme ternaire Ni-Pt-Al.
Le deuxième revêtement céramique est à base d'une céramique ayant une faible conductivité thermique de manière à pouvoir assurer la protection thermique du substrat. Il s'agit, par exemple, d'une zircone stabilisée avec au moins un oxyde d'un élément choisi dans le groupe constitué des terres rares, de préférence dans le sous-groupe : Y, Dy, Er, Eu, Gd, Sm, Yb, ou avec une combinaison d'un oxyde de tantale (Ta) et d'au moins un oxyde de terre rare, ou avec une combinaison d'un oxyde de niobium (Nb) et d'au moins un oxyde de terre rare. Selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, on dépose, avant l'étape de frittage, au moins un troisième revêtement intercalé entre le substrat et le premier revêtement, ou entre le premier et le deuxième revêtement. La nature, la fonction et la forme de ce revêtement peuvent être diverses. Concernant sa forme, le troisième revêtement peut se présenter sous la forme d'une ou de plusieurs feuilles métalliques superposées, et/ou sous la forme d'une poudre, éventuellement en suspension dans un liquide ou un gel, ce qui présente les avantages précités et, en particulier, le fait de pouvoir doser facilement les éléments apportés par ce troisième revêtement. Différents exemples de troisième revêtement sont donnés ci-dessous. On notera que ces exemples ne sont pas incompatibles et peuvent donc être combinés entre eux.
Selon un exemple, le troisième revêtement comprend au moins un élément réactif parmi : Zr, Y, Si, Hf, Ce, La, Sr, Ti, Ta, et/ou au moins un élément platinoïde parmi : Pt, Pd, Ir, Os, Re, Rh, Ru et/ou au moins un métal précieux ou semi-précieux parmi : Au, Ag, ce troisième revêtement pouvant être intercalé entre le substrat et le premier revêtement, ou entre le premier et le deuxième revêtement. Ceci permet d'introduire dans la sous-couche des éléments aux propriétés variées. Notamment, Zr, Si, Y, Re, Si, Ru sont bénéfiques à la résistance à l'oxydation. De tels éléments doivent généralement être ajoutés dans des quantités parfaitement maîtrisées (typiquement de l'ordre de quelques centaines de ppm). Pour contrôler facilement les quantités ajoutées, le troisième revêtement se présente avantageusement sous la forme d'une poudre, éventuellement en suspension dans un liquide ou un gel. Par exemple, on peut pulvériser la poudre sur la surface du substrat ou du premier revêtement. Selon un autre exemple, le troisième revêtement peut être déposé pour réaliser une barrière de diffusion à l'interface substrat/sous couche métallique, cette barrière de diffusion pouvant être de type alumine, Re, Hf-Ni, Hf-Pt ou Ir-Ta. Selon un autre exemple, le troisième revêtement peut permettre de réaliser un gradient de concentration à l'interface entre la sous-couche métallique et la couche de céramique dans le but de diminuer la variation brusque de coefficient de dilatation entre la sous-couche et la couche de céramique, et de limiter, ainsi, l'écaillage se produisant usuellement à cette interface. Dans ce cas, le troisième revêtement est disposé entre le premier et le deuxième revêtement, et est un mélange comprenant une poudre de céramique et une poudre métallique. Avantageusement, cette poudre de céramique et cette poudre métallique ont, respectivement, la même composition, ou une composition proche de celles des deuxième et premier revêtements. Par exemple, lorsque le deuxième revêtement céramique est à base de zircone, le troisième revêtement est un mélange d'une poudre de zircone et d'une poudre métallique. Selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, on dépose sur le deuxième revêtement, avant l'étape de frittage, un quatrième revêtement à base d'une phase dure (par exemple à base de SiC). Ce quatrième revêtement permet de former une couche extérieure à la surface de la couche de céramique et, ainsi, de protéger cette dernière contre l'érosion et les dégradations de surface. Ladite couche extérieure peut éventuellement se former par réaction entre les éléments du deuxième revêtement et ceux du quatrième revêtement. Selon un mode de mise en oeuvre, le deuxième revêtement et le quatrième revêtement se présentent sous forme de poudres, la poudre du quatrième revêtement étant dispersée dans la poudre du deuxième revêtement, en surface du deuxième revêtement. Par exemple, la poudre du deuxième revêtement est une poudre de zircone et la poudre du quatrième revêtement est une poudre de SiC.
L'invention et ses avantages seront encore mieux compris à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un exemple de procédé selon l'invention. Cette description fait référence à la figure 1 annexée qui représente un substrat métallique 1, sur lequel a été déposée une barrière thermique 3 comprenant une sous-couche métallique 5 recouvrant le substrat et une couche de céramique 7 recouvrant ladite sous couche 5.
Le substrat 1 est typiquement en superalliage de base Ni. Plus particulièrement, il peut s'agir d'un superalliage de type "AMI", c'est à dire un superalliage de base Ni ayant la composition suivante, en pourcentages en poids : 5 à 8% Co ; 6,5 à 10%Cr;0,5à2,5%Mo;5à9%W;6à9%Ta; 4,5 à 5,8% Al ; 1 à 2% Ti ; 0 à 1,5% Nb ; C, Zr, B chacun inférieur à 0,01% ; le complément à 100% étant constitué par Ni. Dans l'exemple, on utilise comme substrat une pastille de 24 mm de diamètre et de 2 mm d'épaisseur, en superalliage de type "AMI", ayant la composition suivante, en pourcentages en poids : 6,5% Co ; 7,5% Cr ; 2% Mo ; 5,5% W ; 8% Ta ; 5,3% Al ; 1,2% Ti ; 64% Ni. La surface de la pastille est nettoyée, dégraissée et polie avec du papier SiC, avec une taille de grain allant du grade 600 à 2400. Le polissage final est effectué avec de la pâte diamantée de 3 pm (micromètres), puis de 1 pm. La qualité du polissage de la surface du substrat est importante pour la qualité de l'adhésion du dépôt.
Puis, on dépose manuellement sur le substrat un premier revêtement métallique formé de deux feuilles métalliques, de 10 pm d'épaisseur chacune : la première feuille, la plus proche du substrat, étant en Pt, et la deuxième feuille étant en Al. Ensuite, on dépose sur le premier revêtement, un deuxième revêtement en céramique. Ce deuxième revêtement est constitué par une poudre commercialisée sous la dénomination "TZ8Y", c'est à dire une poudre de zircone yttriée comprenant, en pourcentage atomique, 8% de Y2O3. Cette poudre "TZ8Y" est déposée à la surface de l'assemblage substrat/feuille de Pt/feuille d'Al (c'est-à-dire à dire à la surface de la feuille d'Al) et est compactée à froid avec une légère pression. La masse de poudre "TZ8Y" est calculée pour donner après frittage une couche de céramique de 100 pm d'épaisseur. Enfin, on soumet l'assemblage formé par le substrat et lesdits revêtements à un frittage à flash. Ce frittage permet de densifier le deuxième revêtement en céramique et de joindre les premier et deuxième revêtements entre eux et le premier revêtement au substrat, en une unique opération. Pour réaliser le frittage, on place ledit assemblage dans un moule en graphite, lui-même placé dans un appareil de frittage flash, ou appareil SPS. Ce type d'appareil comprend typiquement un générateur de courant continu pulsé (e.g. 3.3 ms de durée du pulse), un système de pression hydraulique, un chambre sous vide, un outillage de compression avec des pistons supérieur et inférieur, des électrodes reliées audits pistons, une chemise en graphite entourant lesdits pistons, et un système de contrôle contrôlant, notamment, la température et la pression à l'intérieur de la chambre, ainsi que le déplacement vertical de l'un des pistons, de manière à suivre le retrait (i.e. la diminution d'épaisseur) de l'assemblage. Dans l'exemple, on utilise un appareil SPS ayant les références suivantes : Modèle Dr Sinter SPS-2080 SPS Syntex INC Japan. L'appareil SPS est programmé afin d'avoir une montée en température durant 10 min à la vitesse de 100°C/min, puis un maintien à 950°C pendant 1 min. En ce qui concerne la compression uniaxiale (verticale) exercée sur l'assemblage, une force de 0,1 kN a été appliquée durant 2 min, puis une force de 7,8 kN a été appliquée durant 10 min. Au final, on obtient une barrière thermique avec une sous-couche métallique parfaitement dense et qui adhère au substrat, et une couche de céramique partiellement frittée. Ceci à l'avantage de donner une sous-couche métallique protectrice vis-à-vis de l'oxydation, et une couche de céramique protectrice thermiquement (la porosité de la couche de céramique abaissant sa conductivité thermique).
Claims (15)
- REVENDICATIONS1. Procédé de dépôt d'une barrière thermique sur un substrat métallique, cette barrière thermique comprenant une sous-couche métallique recouvrant le substrat et une couche de céramique recouvrant ladite sous couche, dans lequel : - on dépose sur le substrat un premier revêtement métallique, dans le but de former ladite sous-couche métallique par inter-diffusion entre le substrat et le premier revêtement, et - on dépose sur le premier revêtement, un deuxième revêtement en céramique, dans le but de former ladite couche de céramique, caractérisé en ce qu'on soumet le substrat et lesdits revêtements à un frittage flash, de manière à assurer la cohésion de l'ensemble.
- 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le premier revêtement se présente sous la forme d'une ou de plusieurs feuilles métalliques superposées, et/ou sous la forme d'une poudre métallique, éventuellement en suspension dans un liquide ou un gel.
- 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le substrat est un superalliage de base Ni, dans lequel le premier revêtement comprend de l'aluminium associé à au moins un élément choisi parmi : Pt, Pd, Ir, Rh et Ru, et dans lequel ladite sous-couche est en aluminiure de nickel modifié.
- 4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le premier revêtement est en alliage Ni-M-AI-Cr où M est au moins un élément choisi parmi : Pt, Pd, Ir, Rh et Ru.
- 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel on soumet, après l'étape de frittage, le substrat et la barrière thermique à un traitement thermique de manière à influer sur l'inter-diffusion entre le substrat et le premier revêtement, afin d'obtenir une microstructure particulière dans la sous-couche.
- 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le deuxième revêtement se présente sous la forme d'une poudre céramique, éventuellement en suspension dans un liquide ou un gel.
- 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le deuxième revêtement céramique est à base de zircone.
- 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel on dépose, avant l'étape de frittage, au moins un troisième revêtement intercalé entre le substrat et le premier revêtement, ou entre le premier et le deuxième revêtement.
- 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel le troisième revêtement se présente sous la forme d'une ou de plusieurs feuilles métalliques superposées, et/ou sous la forme d'une poudre, éventuellement en suspension dans un liquide ou un gel.
- 10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, dans lequel le troisième revêtement comprend au moins un élément réactif parmi : Zr, Y, Si, Hf, Ce, La, Sr, Ti, Ta, et/ou au moins un élément platinoïde parmi : Pt, Pd, Ir, Os, Re, Rh, Ru et/ou au moins un métal précieux ou semi-précieux parmi : Au, Ag.
- 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, dans lequel le troisième revêtement est un mélange d'une poudre de céramique et d'une poudre métallique, ce troisième revêtement étant intercalé entre le premier et le deuxième revêtement.
- 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel on dépose sur le deuxième revêtement, avant l'étape de frittage, un quatrième revêtement à base d'une phase dure.
- 13. Procédé selon la revendication 12, dans lequel le deuxième revêtement et le quatrième revêtement se présentent sous forme de poudres, la poudre du quatrième revêtement étant dispersée dans la poudre du deuxième revêtement, en surface du deuxième revêtement. 35
- 14. Procédé selon la revendication 13, dans lequel la poudre du deuxième revêtement est une poudre de zircone et dans lequel la poudre du quatrième revêtement est une poudre de SiC.
- 15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, dans lequel ledit substrat est une aube de turbine.
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