FR2941964A1 - Methode de traitement d'une barriere thermique recouvrant un substrat metallique en superalliage et piece thermomecanique resultant de cette methode de traitement - Google Patents
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- C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
- C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
- C23C28/36—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including layers graded in composition or physical properties
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Abstract
L'invention concerne une méthode de traitement d'une barrière thermique recouvrant un substrat métallique en superalliage, comprenant une sous-couche et une unique couche de céramique présentant une épaisseur E et comportant une zone à traiter. Cette méthode est caractérisée en ce que l'on met en oeuvre les étapes suivantes : a) on fournit une source laser apte à délivrer des impulsions et reliée à une tête optique apte à se focaliser sur une zone d'impact, b) on active la source laser , c) on déplace et on règle la tête optique sur une autre zone d'impact et on retourne à l'étape b); ce par quoi on modifie par frittage la microstructure d'une portion de surface de la zone à traiter de la couche de céramique, qui devient au moins partiellement étanche aux sels fondus (CMAS), cette portion de surface présentant une épaisseur E1<E Application à des aubes de turbine.
Description
L'invention concerne une méthode de traitement d'une barrière thermique recouvrant un substrat métallique en superalliage, ainsi que la pièce thermomécanique résultant de cette méthode de traitement. La recherche de l'augmentation du rendement des turbomachines, en particulier dans le domaine aéronautique, et de la diminution de la consommation en carburant et des émissions polluantes de gaz et d'imbrûlés ont conduit à se rapprocher de la stoechiométrie de combustion du carburant. Cette situation s'accompagne d'une augmentation de la température des gaz sortant de la chambre de combustion en direction de la turbine. Aujourd'hui, la température limite d'utilisation des superalliages est de l'ordre de 1100°C, la température des gaz en sortie de chambre de combustion ou en entrée de turbine pouvant atteindre 1600°C. En conséquence, il a fallu adapter les matériaux de la turbine à cette élévation de température, en perfectionnant les techniques de refroidissement des aubes de turbines (aubes creuses) et/ou en améliorant les propriétés de résistance aux températures élevées de ces matériaux. Cette deuxième voie, en combinaison avec l'utilisation des superalliages à base de nickel et/ou de cobalt, a conduit à plusieurs solutions parmi lesquelles le dépôt d'un revêtement isolant thermique dénommé barrière thermique composé de plusieurs couches, sur le substrat en superalliage. L'utilisation des barrières thermiques dans les moteurs aéronautiques s'est généralisée depuis une vingtaine d'années et permet d'augmenter la température d'entrée des gaz dans les turbines, de réduire le flux d'air de refroidissement et ainsi d'améliorer le rendement des moteurs. En effet, ce revêtement isolant permet de créer sur une pièce refroidie, en régime permanent de fonctionnement, un gradient thermique au travers du revêtement, dont l'amplitude totale peut dépasser 100°C pour un revêtement de 150 à 200 pm d'épaisseur environ présentant une conductivité de 1.1 W.m-1.K-1. La température de fonctionnement du métal sous-jacent formant le substrat pour le revêtement se trouve diminuée du même gradient, ce qui induit des gains important sur le volume d'air de refroidissement nécessaire, la durée de vie de la pièce et la consommation spécifique du moteur à turbine.
Il est connu de recourir à l'utilisation d'une barrière thermique comprenant une couche de céramique à base de zircone stabilisée à l'oxyde d'yttrium, à savoir une zircone yttriée comprenant une teneur molaire d'oxyde d'yttrium entre 4 et 12%, qui présente un coefficient de dilatation différent du superalliage constituant le substrat et une conductivité thermique assez faible. La zircone stabilisée peut également contenir dans certains cas au moins un oxyde d'un élément choisi dans le groupe constitué de terres rares, de préférence dans le sous-groupe : Y (yttrium), Dy (dysprosium), Er (erbium), Eu (europium), Gd (gadolinium), Sm (samarium), Yb (ytterbium), ou 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. Parmi les revêtements utilisés, on citera l'utilisation assez 15 générale d'une couche de céramique à base de zircone partiellement stabilisée à l'oxyde d'yttrium, par exemple Zro.92 Y0,08O1,96. Afin d'assurer l'ancrage de cette couche de céramique, une sous-couche métallique, avec un coefficient de dilation proche du substrat, est généralement interposée entre le substrat de la pièce et la couche de 20 céramique. Cette sous-couche assure l'adhérence entre le substrat de la pièce et la couche de céramique, sachant que l'adhérence entre la sous-couche et le substrat de la pièce se fait par inter-diffusion, et que l'adhérence entre la sous-couche et la couche de céramique se fait par ancrage mécanique et par la propension de la sous-couche à développer à 25 haute température, à l'interface céramique/sous-couche, une couche d'oxyde mince qui assure le contact chimique avec la céramique. En outre, cette sous-couche métallique assure la protection de la pièce contre les phénomènes de corrosion. En particulier, il est connu d'utiliser une sous-couche formée 30 d'un alliage de type MCrAIY, M étant un métal choisi parmi le nickel, le cobalt, le fer ou un mélange de ces métaux, qui consiste en une matrice gamma de nickel cobalt avec, en solution, du chrome contenant des précipités 13 NiAI. Il est également connu d'utiliser, selon des procédés connus 35 (APS : Atmospheric Plasma Spraying, VLPPS : Very Low Plasma Spraying), une sous-couche formée d'un alliage de type MCrAIY, M étant un métal choisi parmi le nickel, le cobalt, le fer ou un mélange de ces métaux, qui consiste en une matrice gamma-gamma prime de nickel cobalt avec, en solution, du chrome contenant des précipités 13 NiAI. Il est également connu d'utiliser une sous-couche constituée d'un aluminiure de nickel comprenant un métal choisi parmi le platine, le chrome, le palladium, le ruthénium, l'iridium, l'osmium, le rhodium, ou un mélange de ces métaux et/ou un élément réactif choisi parmi le zirconium (Zr), le cerium (Ce), le lanthane (La), le titane (Ti), le tantale (Ta), l' hafnium (Hf), le silicium (Si) et l'yttrium (Y). Par exemple, on utilise un revêtement de type Ni(l_x)PtXAl, dans lequel le platine est en insertion dans le réseau du nickel. Le platine est déposé par voie électrolytique avant le traitement thermochimique d'aluminisation. Cette sous-couche métallique peut dans ce cas être constituée d'un aluminiure de nickel modifié platine (Ni, Pt)AI, selon un procédé comprenant les étapes suivantes: la préparation de la surface de la pièce par décapage chimique et sablage; le dépôt sur la pièce, par électrolyse, d'un revêtement de platine (Pt); le traitement thermique éventuel de l'ensemble pour faire diffuser Pt dans la pièce; 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 la pièce; 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. Cette sous-couche peut correspondre enfin à un revêtement de 25 platine diffusé seul qui consiste en une matrice gamma-gamma prime de nickel cobalt avec du Pt en solution. Egalement, il est parfois mis en oeuvre, pour l'obtention d'un revêtement et/ou de la sous-couche du revêtement, une étape consistant à modifier la surface de la pièce en superalliage en déposant une couche 30 de platine de plus de 10 micromètres puis à effectuer un traitement thermique de diffusion. Aussi, la société demanderesse utilise un revêtement thermochimique dénommé C1A formé par un revêtement d'aluminiure modifié par du chrome et résultant de la réalisation successives de deux 35 étapes de dépôt en phase vapeur : une première étape de dépôt d'une couche de 2 à 6 micromètres de chrome suivie d'une étape d'aluminisation. Un tel revêtement est plutôt utilisé comme revêtement pour protéger les pièces de l'oxydation ou de la corrosion à chaud, ou, 5 éventuellement, comme sous-couche de barrière thermique. De façon traditionnelle, ladite sous-couche est constituée d'un alliage apte à former une couche d'alumine protectrice par oxydation : en particulier, l'utilisation d'une sous-couche métallique comprenant de l'aluminium engendre par oxydation naturelle à l'air une couche d'alumine 10 AI2O3 qui recouvre toute la sous-couche. Habituellement, la couche de céramique est déposée sur la pièce à revêtir soit par une technique de projection (en particulier projection plasma) ou de dépôt par voie physique en phase vapeur, c'est-à-dire par évaporation (par exemple par EB-PVD ou Electron Beam 15 Physical Vapour Deposition formant un revêtement déposé dans une enceinte d'évaporation sous vide sous bombardement électronique). Dans le cas d'un revêtement projeté, un dépôt d'oxyde à base de zircone est effectué par des techniques du type projection plasma sous atmosphère contrôlée, ce qui conduit à la formation d'un revêtement 20 constitué d'un empilement de gouttelettes fondues puis trempées par choc, aplaties et empilées de façon à former un dépôt densifié de manière imparfaite d'une épaisseur généralement comprise entre 50 micromètres et 1 millimètre. Un revêtement déposé par voie physique, et par exemple par 25 évaporation sous bombardement électronique, engendre un revêtement constitué d'un assemblage de colonnettes dirigées sensiblement de manière perpendiculaire à la surface à revêtir, sur une épaisseur comprise entre 20 et 600 micromètres. Avantageusement, l'espace entre les colonnettes permet au revêtement de compenser efficacement les 30 sollicitations thermomécaniques dues, aux températures de service, au différentiel de dilatation avec le substrat en superalliage. Ainsi, on obtient des pièces avec des durées de vie élevées en fatigue thermique à haute température. Classiquement, ces barrières thermiques créent donc une 35 discontinuité de conductivité thermique entre le revêtement extérieur de la pièce mécanique, formant cette barrière thermique, et le substrat de ce revêtement formant le matériau constitutif de la pièce. En service, l'ingestion de sable dans le moteur conduit à des phénomènes d'érosion de la surface de la céramique et au dépôt de débris, d'impuretés et de sels fondus. Par sels fondus , on entend des compositions d'oxydes contenant des oxydes de calcium, de magnésium, d'aluminium, de silicium, des mélanges des ces oxydes, et/ou tout autre débris en provenance de la partie amont du moteur. Ces systèmes, principalement composés d'oxydes de calcium, de magnésium, d'aluminium et de silicium en mélange (Ca-Mg-Al-SiO) sont appelés CMAS . En particulier, les espaces de la structure colonnaire de la céramique peuvent être le lieu d'infiltration de ces dépôts de sels fondus pour des températures supérieures à 1100°C. Après infiltration de ces CMAS en fusion dans la structure de surface poreuse du revêtement de barrière thermique, ces sels fondus se refroidissent et se solidifient à l'intérieur de la structure poreuse. Les CMAS solidifiés engendrent une accumulation de contraintes, ce qui conduit à une fissuration et à un écaillage prématuré, total ou partiel, de la barrière thermique.
En conséquence, le substrat n'étant plus (localement) protégé par la couche de céramique isolante, il est soumis à de plus forte températures et s'endommage alors très rapidement. Ainsi, les pièces concernées (en particulier les parois de la chambre de combustion, les aubes, viroles ou anneaux et distributeurs de la turbine haute pression) subissent un endommagement prématuré. De nombreuses tentatives de l'art antérieur pour éviter ou retarder l'apparition des effets néfastes des CMAS sont basées sur des techniques de dépôt d'une couche supplémentaire formée d'une couche d'émail (couche de matière vitrifiée) à la surface de la barrière thermique, constituant une couche externe hermétique destinée à empêcher l'infiltration des CMAS fondus dans la structure poreuse. Le document EP 1 428 908 présente l'une de ces techniques. Cependant, ces techniques présentent un certains nombres d'inconvénients parmi lesquels le fait qu'elles requièrent le dépôt d'une 35 couche de matière supplémentaire.
La présente invention a donc pour objectif de proposer une méthode de traitement de barrière thermique et une structure de barrière thermique résultant de cette méthode qui empêche ou retarde les dégradations causées par les sels fondus sur la structure poreuse de la barrière thermique, ou minimise leur importance. L'invention a également pour objectif de fournir une pièce thermomécanique en superalliage résultant de cette méthode de traitement qui limite l'endommagement de la céramique résultant des sels fondus lors du fonctionnement de la pièce, en particulier une aube de turbine, à haute température et ce, afin d'augmenter significativement la durée de vie du système de barrière thermique . A cet effet, selon la présente invention, pour une barrière thermique comprenant au moins une sous-couche et une unique couche de céramique présentant une épaisseur E et située à la surface de la barrière thermique et comportant une zone à traiter, on met en oeuvre les étapes suivantes : a) on fournit une source laser apte à délivrer des impulsions et reliée à une tête optique apte à se déplacer pour focaliser le faisceau laser sur une zone d'impact de la surface de la couche de céramique, b) on active la source laser, ce par quoi ladite impulsion traite en surface la couche de céramique, c) on déplace et on règle la tête optique sur une autre zone d'impact recouvrant au moins partiellement la zone d'impact préalablement traitée et on retourne à l'étape b) tant que toute la zone à traiter de la couche de céramique n'a pas été traitée; ce par quoi on modifie par frittage la microstructure d'une portion de surface de la zone à traiter de la couche de céramique, qui devient au moins partiellement étanche aux sels fondus (CMAS), cette portion de surface présentant une épaisseur E1<E (El inférieure à E).
De cette manière, on comprend que par un seul traitement par faisceau laser impulsionnel de la surface de la couche de céramique formant la couche supérieure de la barrière thermique, et sans aucun ajout de matière ou de couche supplémentaire, on réalise une modification de l'état de surface de la couche de céramique.
En effet, dans la zone à traiter, la couche superficielle de la couche de céramique étant frittée, elle forme une barrière étanche aux infiltrations de sels fondus. Cette solution peut être mise en oeuvre de façon aisée et reproductible et elle présente aussi l'avantage supplémentaire, de permettre, en outre, de traiter localement les seules zones soumises aux infiltrations de CMAS. Globalement, grâce à la solution selon la présente invention, il est possible de proposer un traitement simple à mettre en oeuvre et tout à 10 fait efficace. La présente invention s'applique non seulement dans le cas de la réalisation d'une barrière thermique pour la fabrication initiale d'une pièce thermomécanique, mais également pour la réparation de la barrière thermique, et dans ce cas sans préparation préalable (en particulier aucun 15 retrait ou ajout de matière n'est à effectuer). Les paramètres choisis pour le faisceau laser impulsionnel qui est appliqué à la surface de la barrière thermique sont de préférence les suivants : - la durée de l'impulsion pendant laquelle on applique le 20 faisceau laser est inférieure à 100 ns ; cette durée de l'impulsion du faisceau laser est de préférence comprise entre 5 à 60ns, de préférence entre 5 à 30ns, et de préférence entre 10 à 20ns. - l'énergie de chaque impulsion est supérieure à 10mJ et de préférence comprise entre 20mJ et 23, de préférence entre 60mJ et 1,53, 25 de préférence entre 80mJ et 1,23 et de préférence entre 100mJ et 13. - la densité de puissance du faisceau laser est comprise entre 1 et 200 GW/cm2, de préférence entre 1,5 et 180 GW/cm2, de préférence entre 1,8 et 150 GW/cm2 et de préférence entre 2,2 et 140 GW/cm2. - la zone d'impact est sensiblement circulaire et présente un 30 diamètre compris entre 50 m et 5 mm, de préférence entre 100 m et 4 mm, de préférence entre 150 m et 3 mm et de préférence entre 300 m et 2 mm. - le taux de recouvrement entre les différentes zones d'impact est d'au moins 10%. On définit le taux de recouvrement comme le 35 pourcentage de la surface traitée sur laquelle on repasse avec le faisceau laser, et qui bénéficie donc de deux passages. De préférence, le taux de recouvrement entre les différentes zones d'impact est d'au moins 30%, de préférence d'au moins 50% et de préférence d'au moins 70%. La présente invention porte également sur la pièce thermomécanique résultant de la méthode de traitement décrite 5 précédemment. La présente invention porte notamment sur une pièce thermomécanique en superalliage dont la barrière thermique présente une couche de céramique présentant une épaisseur totale E comprise environ entre 20 et 600 m et dans laquelle la portion de surface traitée de la 10 couche de céramique présente une épaisseur El comprise environ entre 1 et 50 m. Selon d'autres configurations possibles, l'épaisseur totale E de la couche de céramiques est comprise environ entre 100 et 3001.lm, ou entre 150 et 20011m, et la portion de surface traitée de la couche de 15 céramique présente une épaisseur El inférieure à 30 m. La présente invention porte également sur une pièce thermomécanique pour une turbomachine, et notamment, une chambre de combustion, aube de turbine, une portion de distributeur, en particulier de turbine, une portion d'une virole extérieure ou intérieure d'une turbine, 20 ou une portion de la paroi d'une chambre de combustion et toute pièce thermomécanique susceptible d'être revêtue d'un système de barrière thermique. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple et en 25 référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe schématique montrant partiellement une pièce mécanique revêtue d'une barrière thermique, - la figure 2 est une coupe micrographique représentant les différentes couches de la barrière thermique à la surface de la pièce, 30 - la figure 3 comporte quatre schémas qui montrent en coupe la structure de la barrière thermique, respectivement avant, pendant, un peu après et plus tard après l'exposition aux infiltrations de sels fondus ou CMAS, - les figures 4, 5 et 6 sont des coupes micrographiques 35 représentant l'évolution de la microstructure de la barrière thermique respectivement juste après, un peu après et plus tard après l'exposition aux infiltrations de sels fondus ou CMAS, - les figures 7A et 7B sont des coupes micrographiques représentant, à différents grossissements, une barrière thermique de l'art antérieur avant service, et montrant en particulier la structure colonnaire de la couche de céramique, - les figures 8A, 8B et 8C sont des coupes micrographiques, avant service à l'état neuf, à différents grossissements, pour une première forme de mise en oeuvre de la méthode de traitement conforme à l'invention, - les figures 9A, 9B et 9C sont des coupes micrographiques, avant service à l'état neuf, à différents grossissements, pour une deuxième forme de mise en oeuvre de la méthode de traitement conforme à l'invention, - les figures 10A, 10B et 10C sont des coupes micrographiques, avant service à l'état neuf, à différents grossissements, pour une troisième forme de mise en oeuvre de la méthode de traitement conforme à l'invention, et - les figures 11A, 11B et 11C sont des coupes micrographiques, avant service à l'état neuf, à différents grossissements, pour une quatrième forme de mise en oeuvre de la méthode de traitement conforme à l'invention. La pièce mécanique représentée partiellement sur la figure 1 comporte un revêtement de barrière thermique 11 déposé sur un substrat 12 en superalliage, tel que les superalliages à base de nickel et/ou de cobalt. Le revêtement de barrière thermique 11 comporte une sous-couche métallique 13 déposée sur le substrat 12, et une couche de céramique 14, déposée sur la sous-couche 13. La sous-couche de liaison 13 est une sous-couche métallique constituée d'un aluminiure de nickel contenant éventuellement un métal choisi parmi le platine, le chrome, le palladium, le ruthénium, l'iridium, l'osmium, le rhodium, ou un mélange de ces métaux et/ou un élément réactif choisi parmi le zirconium (Zr), le cerium (Ce), le lanthane (La), le titane (Ti), le tantale (Ta), l' hafnium (Hf), le silicium (Si) et l'yttrium (Y), en particulier une une sous-couche métallique constituée de NiAlPt, ou une sous-couche métallique de type MCrAIYPt, M étant un métal choisi parmi le nickel, le cobalt, le fer ou un mélange de ces métaux, ou à base de Pt. Cette sous-couche de liaison 13 peut correspondre enfin à un revêtement de platine diffusé seul qui consiste en une matrice gamma-gamma prime de nickel cobalt avec du platine (Pt) en solution.
La couche de céramique 14 est constituée de zircone yttriée comprenant une teneur molaire d'oxyde d'yttrium entre 4 et 12% (zircone partiellement stabilisée). La zircone stabilisé 14 peut également contenir dans certains cas au moins un oxyde d'un élément choisi dans le groupe constitué de terres rares, de préférence dans le sous-groupe : Y (yttrium), Dy (dysprosium), Er (erbium), Eu (europium), Gd (gadolinium), Sm (samarium), Yb (ytterbium), ou 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 Lors de la fabrication, la sous-couche de liaison 13 a été oxydée préalablement au dépôt de la couche de céramique 14, d'où la présence d'une couche intermédiaire d'alumine 15 entre la sous-couche 13 et la couche de céramique 14. On retrouve sur la vue de la figure 2 les différentes couches précitées, avec une structure colonnaire typique de la couche de 20 céramique 14 présente en surface. Pendant son service, la pièce (par exemple une aube de turbine) subit des centaines de cycles à haute température (de l'ordre de 1100°C°), au cours desquels des sels fondus 16 (CMAS) sont susceptibles de venir à la surface et de s'infiltrer dans les interstices de la structure 25 colonnaire de la couche de céramique 14 (voir la deuxième vue de la figure 3 et la figure 4). Ces CMAS se solidifient et conduisent à la formation de contraintes qui génèrent des fissures 18 (voir la troisième vue de la figure 3 et la figure 5) dans la couche de céramique 14, ce qui conduit à un délaminage, à savoir au départ d'une portion superficielle de 30 la couche de céramique 14. Dans le cadre de la présente invention, le demandeur a cherché à modifier superficiellement la microstructure de la couche de céramique 14 à son extrême surface afin de stopper l'infiltration de sels fondus à haute température et augmenter la durée de vie de la pièce. 35 La solution a été trouvé par l'utilisation d'un laser fonctionnant de façon impulsionnelle afin d'étanchéifier localement la couche céramique, sans aucun ajout de matière. Notamment, on privilégie l'utilisation d'un laser de puissance (en particulier de forte puissance) ,à savoir un capable d'émettre au moins quelques watts en sortie (puissance moyennée), que ce soit pour les lasers fonctionnant en continu ou de façon impulsionnelle, cette énergie étant capable donc d'affecter thermiquement et localement les substrats qui absorbent la longueur d'onde émise par le faisceau laser. Cette solution permet d'obtenir une couche dense en surface de la pièce, qui empêche ou limite fortement l'infiltration de sels fondus.
L'épaisseur de la zone affectée thermiquement par le laser et qui va correspondre à l'épaisseur de la portion de surface traitée de la couche de céramique, est généralement comprise entre 1 et 30pm. Cela permet de conserver une structure colonnaire sous-jacente avec de bonnes propriétés mécaniques pour la majeure partie de la couche de céramique qui présente , avant traitement, en générale une épaisseur comprise entre 150 et 200pm. Enfin, sous certaines conditions, il est possible de générer des porosités dans la portion de surface traitée de la couche de céramique, ce qui favorise une diminution de la conductivité thermique de la céramique et augmente ainsi son pouvoir d'isolant thermique.
Une particularité importante de cette solution est l'absence totale d'ajout de matière extérieure sur la couche de céramique 14 formant la couche de surface d'une barrière thermique classique. En particulier le demandeur a établi des conditions à respecter afin d'éviter des phénomènes de refusion grossière de la couche de céramique 14 ou encore des phénomènes de fissuration de la sous-couche métallique 13. La couche de céramique 14 d'une barrière thermique de l'art antérieur présente la structure colonnaire précédemment décrite, avec des espaces situés entre les colonnes et qui débouchent en surface comme il apparaît sur les figures 7A et 7B. On va maintenant présenter plusieurs modes de réalisation de la méthode de traitement conforme à l'invention. Dans tous les exemples qui suivent, il a été utilisé une source laser YAG doublée impulsionnelle continum émettant à 532 nm.35 Exemple 1 Selon une première forme de réalisation du traitement conforme à la présente invention, on obtient, par des paramètres adéquats, le frittage superficiel de la couche de céramique 14, la portion de surface traitée 20 de la couche de céramique 14 constituant alors une couche continue de l'ordre du micromètre à une dizaine de micromètres à la surface de la couche de céramique 14, qui est visible sur les figures 8A, 8B et 8C. Cela limite considérablement la pénétration et l'infiltration des CMAS en service dans la structure colonnaire de la couche de céramique 14. En outre, ces paramètres ne génèrent aucune fissuration ou endommagement significatifs au niveau de la sous-couche métallique 13 sous-jacente. Les réglages du faisceau laser sont les suivants : - l'énergie de chaque impulsion est de l'ordre de 100mJ, - la durée de l'impulsion pendant laquelle on applique le faisceau laser est de l'ordre de 10ns, - la densité de puissance est de 14 GW/cm2, - la zone d'impact est sensiblement circulaire et présente un diamètre de 20 l'ordre de 3001.tm, et - le taux de recouvrement entre les différentes zones d'impact est de l'ordre de 30%.
Exemple 2 25 Selon une deuxième forme de réalisation du traitement conforme à la présente invention, on obtient, par des paramètres adéquats, le frittage superficiel et également le lissage de la couche de céramique 14, la portion de surface traitée 20 de la couche de céramique 14 constituant alors une couche continue de l'ordre du micromètre à une 30 dizaine de micromètres à la surface de la couche de céramique 14, qui est visible sur les figures 9A, 9B et 9C. Cela limite considérablement la pénétration et l'infiltration des CMAS en service dans la structure colonnaire de la couche de céramique 14. En outre, ces paramètres ne génèrent, là encore, aucune fissuration 35 ou endommagement significatifs au niveau de la sous-couche métallique 13 sous-jacente.
Les réglages du faisceau laser sont les suivants : - l'énergie de chaque impulsion est de l'ordre de 13, - la durée de l'impulsion pendant laquelle on applique le faisceau laser est de l'ordre de 10ns, - la densité de puissance est de 140 GW/cm2, - la zone d'impact est sensiblement circulaire et présente un diamètre de l'ordre de 3001m, et - le taux de recouvrement entre les différentes zones d'impact est de l'ordre de 30%.
Dans ce cas, par rapport à l'exemple 1, on a utilisé une énergie plus importante pour chaque impulsion (13 au lieu de 100mJ), ce qui a permis également de lisser la surface de la couche de céramique 14. La diminution de rugosité en surface présente un avantage certain au niveau de l'aérodynamisme et limite ainsi considérablement l'accrochage et l'incrustation d'impuretés dans la structure colonnaire de la couche de céramique 14.
Exemple 3 Selon une troisième forme de réalisation du traitement conforme à la présente invention, on obtient, par des paramètres adéquats, le frittage superficiel de la couche de céramique 14 et également la formation de porosités 22 dans la portion de surface traitée 20 de la couche de céramique 14. Cette dernière constitue alors une couche continue de l'ordre du micromètre à une dizaine de micromètres à la surface de la couche de céramique 14, qui est visible sur les figures 10A, 10B et 10C. Cela limite considérablement la pénétration et l'infiltration des CMAS en service dans la structure colonnaire de la couche de céramique 14. En outre, ces paramètres ne génèrent, là encore, aucune fissuration ou endommagement significatifs au niveau de la sous-couche métallique 13 sous-jacente. Les réglages du faisceau laser sont les suivants : - l'énergie de chaque impulsion est de l'ordre de 170mJ, - la durée de l'impulsion pendant laquelle on applique le faisceau laser est 35 de l'ordre de 10ns, - la densité de puissance est de 2,2 GW/cm2, - la zone d'impact est sensiblement circulaire et présente un diamètre de l'ordre de 2mm, et - le taux de recouvrement entre les différentes zones d'impact est de l'ordre de 70%.
Dans ce cas, on utilise, par rapport aux première et deuxième formes de réalisation de la méthode de traitement conforme à l'invention, une plus grande défocalisation du faisceau laser avec une zone d'impact présentant un diamètre de l'ordre de 2 mm au lieu de 300 m. Ces paramètres, utilisant une plus grande défocalisation, ils permettent à la fois de fritter les premiers micromètres de surface de la couche de céramique 14 mais permettent également de générer la formation de micro-porosités 22 dans cette portion de surface traitée 20. L'avantage de ces pores est de diminuer la conductivité thermique de la couche de céramique 14. Ces porosités 22 sont formées d'espaces fermés et forment des obstacles à la propagation de chaleur à travers la portion de surface 20 frittée.
Exemple 4 Selon une quatrième forme de réalisation du traitement conforme à la présente invention, on obtient, par des paramètres adéquats, le frittage superficiel de la couche de céramique 14 et également son lissage ainsi que la formation de porosités 22 dans la portion de surface traitée 20 de la couche de céramique 14. Cette dernière constitue alors une couche continue de l'ordre du micromètre à une dizaine de micromètres à la surface de la couche de céramique 14, qui est visible sur les figures 11A, 11B et 11C. Cela limite considérablement la pénétration et l'infiltration des CMAS en service dans la structure colonnaire de la couche de céramique 14. En outre, ces paramètres ne génèrent, là encore, aucune fissuration ou endommagement significatifs au niveau de la sous-couche métallique 13 sous-jacente. Les réglages du faisceau laser sont les suivants : - l'énergie de chaque impulsion est de l'ordre de 170mJ, - la durée de l'impulsion pendant laquelle on applique le faisceau laser est de l'ordre de 10ns, - la densité de puissance est de 2,2 GW/cm2, - la zone d'impact est sensiblement circulaire et présente un diamètre de l'ordre de 1 mm, et - le taux de recouvrement entre les différentes zones d'impact est de l'ordre de 70%.
Dans ce cas, on utilise, par rapport aux première et deuxième formes de réalisation, une plus grande défocalisation du faisceau laser avec une zone d'impact présentant un diamètre de l'ordre de 1 mm au lieu de 300 m, qui est donc plus faible que dans le cas de la troisième forme de réalisation.
Ces paramètres, utilisant une plus grande défocalisation, permettent dans ce cas à la fois de fritter les premiers micromètres de surface de la couche de céramique 14 mais permettent également, outre le fait de générer la formation de micro-porosités 22 dans cette portion de surface traitée 20, de réaliser un lissage de la surface de la couche de céramique 14. L'avantage de ces pores est de diminuer la conductivité thermique de la couche de céramique 14. Ces porosités 22 sont formées d'espaces fermés et forment des obstacles à la propagation de chaleur à travers la portion de surface 20 frittée.
Le lissage de la surface correspond à une diminution de rugosité en surface qui présente un avantage certain au niveau de l'aérodynamisme et limite ainsi considérablement l'accrochage et l'incrustation d'impuretés dans la structure colonnaire de la couche de céramique 14 La solution proposée par la présente invention présente un certains nombres d'avantages, parmi lesquels il faut relever : - Le fait que le traitement consiste seulement en l'application d'un faisceau laser, sans devoir ajouter de couche de matière supplémentaire, permet de limiter l'application du traitement de façon très locale sur les zones des pièces qui sont les plus endommagées en service. Ce traitement permet donc de traiter très localement certaines zones de la pièce. - En outre, un tel traitement par laser est un procédé dont la mise en oeuvre est rapide (moins d'une heure), répétitive et reproductible, Que le traitement proposé procure un excellent contrôle de la microstructure, Que cette solution n'engendre aucun effet du laser sur la sous-couche métallique, seule la céramique étant affectée thermiquement par ce traitement, - Cette solution ne nécessitant pas d'ajout de matière supplémentaire, elle est économique car on ne réalise aucun dépôt suplémentaire, - Cette solution permet, si nécessaire, d'augmenter le taux de porosités dans la couche affectée par le faisceau laser, à savoir dans la portion de surface traitée de la couche de céramique, - Que le traitement proposé permet un très bon contrôle de l'épaisseur de la portion de surface traitée de la couche de céramique concernée : il est possible de re-fusionner les colonnes en surface sur une épaisseur de 1 à 30pm.
Claims (13)
- REVENDICATIONS1. Méthode de traitement d'une barrière thermique (11) recouvrant un substrat métallique (12) en superalliage, ladite barrière thermique (11) comprenant au moins une sous-couche (13) et une unique couche de céramique (14) présentant une épaisseur E et située à la surface de la barrière thermique et comportant une zone à traiter, caractérisée en ce que l'on met en oeuvre les étapes suivantes : a) on fournit une source laser apte à délivrer des impulsions et reliée à une tête optique apte à se déplacer pour focaliser le faisceau laser sur une zone d'impact de la surface de la couche de céramique (14), b) on active la source laser, ce par quoi ladite impulsion traite en surface la couche de céramique, c) on déplace et on règle la tête optique sur une autre zone d'impact recouvrant au moins partiellement la zone d'impact préalablement traitée et on retourne à l'étape b) tant que toute la zone à traiter de la couche de céramique n'a pas été traitée; ce par quoi on modifie par frittage la microstructure d'une portion de surface (20) de la zone à traiter de la couche de céramique, qui devient au moins partiellement étanche aux sels fondus (CMAS) (16), cette portion de surface (20) présentant une épaisseur E1<E.
- 2. Méthode de traitement d'une barrière thermique (11) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la durée de l'impulsion pendant laquelle on applique le faisceau laser est inférieure à 100 ns.
- 3. Méthode de traitement d'une barrière thermique (11) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'énergie de chaque impulsion est comprise entre 20mJ et 2J.
- 4. Méthode de traitement d'une barrière thermique (11) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce 30 que la densité de puissance du faisceau laser est comprise entre 1 et 200 GW/cm2.
- 5. Méthode de traitement d'une barrière thermique (11) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ceque la zone d'impact est sensiblement circulaire et présente un diamètre compris entre 50 m et 5 mm.
- 6. Méthode de traitement d'une barrière thermique (11) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le taux de recouvrement entre les différentes zones d'impact est d'au moins 10%.
- 7. Méthode de traitement d'une barrière thermique (11) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les réglages du faisceau laser sont les suivants : - l'énergie de chaque impulsion est de l'ordre de 100mJ, - la durée de l'impulsion pendant laquelle on applique le faisceau laser est de l'ordre de 10ns, - la densité de puissance est de 14 GW/cm2, - la zone d'impact est sensiblement circulaire et présente un diamètre de 15 l'ordre de 300 m, et - le taux de recouvrement entre les différentes zones d'impact est de l'ordre de 30%.
- 8. Méthode de traitement d'une barrière thermique (11) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que 20 les réglages du faisceau laser sont les suivants : - l'énergie de chaque impulsion est de l'ordre de 13, - la durée de l'impulsion pendant laquelle on applique le faisceau laser est de l'ordre de 10ns, - la densité de puissance est de 140 GW/cm2, 25 - la zone d'impact est sensiblement circulaire et présente un diamètre de l'ordre de 300 m, et - le taux de recouvrement entre les différentes zones d'impact est de l'ordre de 30%.
- 9. Méthode de traitement d'une barrière thermique (11) 30 selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les réglages du faisceau laser sont les suivants : - l'énergie de chaque impulsion est de l'ordre de 170mJ, - la durée de l'impulsion pendant laquelle on applique le faisceau laser est de l'ordre de 10ns, 35 - la densité de puissance est de 2,2 GW/cm2, - la zone d'impact est sensiblement circulaire et présente un diamètre de l'ordre de 2mm, et - le taux de recouvrement entre les différentes zones d'impact est de l'ordre de 70%.
- 10. Méthode de traitement d'une barrière thermique (11) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les réglages du faisceau laser sont les suivants : - l'énergie de chaque impulsion est de l'ordre de 170mJ, - la durée de l'impulsion pendant laquelle on applique le faisceau laser est de l'ordre de 10ns, - la densité de puissance est de 2,2 GW/cm2, - la zone d'impact est sensiblement circulaire et présente un diamètre de l'ordre de 1 mm, et - le taux de recouvrement entre les différentes zones d'impact est de l'ordre de 70%.
- 11. Pièce thermomécanique en superalliage comprenant une barrière thermique (11) obtenue selon la méthode de traitement selon l'une quelconque des revendications précédentes.
- 12. Pièce thermomécanique en superalliage selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la couche de céramique (14) présente une épaisseur totale E comprise environ entre 20 et 6001.tm et en ce que la portion de surface traitée (20) de la couche de céramique (14) présente une épaisseur El comprise environ entre 1 et 50 m.
- 13. Pièce thermomécanique en superalliage selon les revendications 11 et 12, caractérisée en ce que ladite pièce est une aube de turbine, une portion de distributeur, une portion d'une virole extérieure ou intérieure d'une turbine, ou une portion de la paroi d'une chambre de combustion.
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