B11-5715FR 1 Composant de turbine avec un passage de refroidissement près de la surface et procédé de fabrication La présente invention concerne des composants qui fonctionnent à de hautes températures, comme des composants à profil aérodynamique de turbine de turbomachines. Plus particulièrement, l'invention concerne un processus de création de canaux de refroidissement près de la surface dans des composants à haute température pour améliorer les caractéristiques de transfert de chaleur des composants. Des composants de turbomachines, comme des aubes rotatives (pales), des tuyères (aubes fixes), et autres composants de veine de gaz chauds de moteurs à turbine à gaz d'aéronef et industriel, sont habituellement formés de nickel, de cobalt ou de superalliages à base de fer avec des propriétés environnementales et mécaniques souhaitables pour des températures de fonctionnement de turbine. Etant donné que le rendement d'une turbomachine est dépendant de la température de fonctionnement, il y a un besoin pour des composants comme des aubes de turbine et des tuyères pouvant supporter des températures de plus en plus hautes. Quand la température locale maximum d'un composant en superalliage approche de la température de fusion du superalliage, un refroidissement à air forcé devient nécessaire. Pour cette raison, des pales profilées d'aubes et des tuyères de turbine à gaz requièrent souvent des systèmes de refroidissement complexes dans lesquels de l'air, habituellement de l'air de prélèvement, est forcé à travers des passages de refroidissement intérieurs dans la pale profilée et ensuite évacué à travers des trous de refroidissement au niveau de la surface de la pale pour extraire de la chaleur. Des trous de refroidissement peuvent aussi être configurés de telle manière que l'air de refroidissement sert à refroidir par film la surface environnante du composant. Des aubes et des tuyères formées par des procédés de fonderie nécessitent des noyaux pour définir les passages de refroidissement intérieurs. Les noyaux et leur risque de décalage pendant le moulage limitent les possibilités pour un procédé conventionnel de créer un passage de refroidissement à proximité d'une surface extérieure du composant. Il en résulte que les passages de refroidissement sont habituellement à environ 0,1 pouce (environ 2,5 millimètres) ou plus sous la surface métallique de base d'une aube ou d'une tuyère de turbine moulée. Néanmoins, l'efficacité du transfert de chaleur pourrait être significativement augmentée si les passages de refroidissement pouvaient être placés plus près de la surface que ce qui est habituellement possible. La présente invention propose un procédé pour créer un ou plusieurs passages de refroidissement près de la surface dans un composant de turbomachine refroidi par air, par exemple des aubes rotatives (pales), des tuyères (aubes fixes), des enveloppes, et d'autres composants de veine de gaz chauds des turbines à gaz. Selon un premier aspect de l'invention, le procédé prévoit de former un canal dans une surface d'une région de surface du composant, de telle manière que le canal est ouvert au niveau de la surface et relié fluidiquement à un premier passage de refroidissement dans le composant. Une couche métallique est ensuite déposée sur la surface et au-dessus du canal sans remplir le canal. La couche métallique ferme le canal au niveau de la surface de la région de surface pour définir un second passage de refroidissement dans le composant qui est connecté fluidiquement au premier passage de refroidissement et est plus proche de la surface extérieure de la couche métallique que le premier passage de refroidissement. Un système de revêtement est ensuite déposé sur la couche métallique pour définir la surface la plus extérieure du composant. Le second passage de refroidissement est plus proche de la surface la plus extérieure du composant que le premier passage de refroidissement. Un autre aspect de l'invention est un composant formé par un procédé comprenant les étapes décrites ci-dessus. Un effet technique de l'invention est la capacité à placer un passage de refroidissement dans un composant moulé qui est plus proche de la surface de composant que les passages de refroidissement créés avec des noyaux pendant un procédé de moulage. Il en résulte que l'invention a la capacité d'augmenter significativement l'efficacité du transfert de chaleur d'un composant, et particulièrement un composant de turbomachine refroidi par air situé dans une veine de gaz chauds d'un moteur à turbine à gaz.
D'autres aspects et avantages de cette invention seront mieux appréciés à partir de la description détaillée suivante de quelques exemples non limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective d'une aube de turbine haute pression qui peut être utilisée dans le cadre de la présente invention ; - la figure 2 représente une vue en coupe partielle d'une région de surface de l'aube de la figure 1, et représente de multiples canaux définis dans la surface d'une région selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 est une vue en coupe représentant une couche déposée sur les canaux de la figure 2 ; - la figure 4 est une vue en coupe représentant une région de surface aluminisée de la couche de la figure 3 ; - la figure 5 est une vue en coupe représentant un revêtement d'ancrage et un revêtement de barrière thermique déposés sur la région de surface aluminisée de la couche de la figure 4 ; - et la figure 6 est une vue en coupe représentant un revêtement de barrière thermique déposé directement sur la région de surface aluminisée de la couche de la figure 4. La présente invention est généralement applicable à des composants qui fonctionnent dans des environnements caractérisés par des températures relativement élevées, et particulièrement des composants dont la température de surface maximum approche de la température de fusion du matériau qui les constituent, nécessitant l'utilisation d'un refroidissement par air forcé pour réduire la température de surface. Des exemples de tels composants incluent des aubes rotatives (pales) haute pression et basse pression, des tuyères (aubes fixes), des enveloppes, et autres composants de veine de gaz chauds d'une turbomachine, comme un moteur à turbine à gaz industriel ou pour aéronef. Un exemple d'aube de turbine 10 est représenté sur la figure 1. L'aube 10 inclut généralement une ailette profilée ou profil aérodynamique 12 contre laquelle des gaz de combustion chauds sont dirigés pendant le fonctionnement du moteur à turbine à gaz, et dont la surface est donc soumise à de très hautes températures. Le profil aérodynamique 12 représenté est configuré pour être fixe sur un disque de turbine (non montré) au moyen d'une queue d'aronde 14 formée sur une section d'emplanture de l'aube 10 qui est séparée du profil aérodynamique 12 par une plate-forme 16. Le profil aérodynamique 12 inclut des trous de refroidissement 18 à travers lesquels de l'air de prélèvement qui entre dans l'aube 10 à travers sa section d'emplanture peut transférer de la chaleur hors de l'aube 10. Alors que les avantages de l'invention seront décrits en référence à l'aube 10 montrée sur la figure 1, les enseignements de l'invention peuvent généralement être appliqués à d'autres composants de veine de gaz chauds de moteurs à turbine à gaz industriel ou pour aéronef, ainsi qu'une variété d'autres composants qui sont soumis à des températures extrêmes.
La figure 2 représente une région de surface extérieure 22 de l'aube 10, par exemple, une région de surface 22 du profil aérodynamique 12 ou de la plate-forme 16 du profil aérodynamique 12. La région de surface 22 est habituellement constituée du matériau de base de l'aube 10, par exemple, un superalliage à base de nickel, de cobalt ou de fer, par exemple des superalliages à base de nickel comme le GTD-111® (General Electric Co.), le GTD-444® (General Electric Co.), l'IN-738, le René N4, le René R5 et le René 108. L'aube 10 peut être formée par coulée équiaxiale, à solidification dirigée (DS), ou monocristalline (SX) pour résister aux hautes températures et aux contraintes auxquelles elle est soumise dans un moteur à turbine à gaz. Les procédés de fusion et de coulée pour produire l'aube 10 sont bien connus et donc ne seront pas présentés ici en détail. La figure 2 représente encore de multiples canaux 23 qui ont été définis dans la région de surface 22 de telle manière que les canaux 23 sont ouverts au niveau de la surface 24 de la région 22. Les canaux 23 définissent dans l'aube 10 des passages de refroidissement près de la surface (figures 5 et 6). Il est donc souhaitable qu'ils aient une section transversale suffisante pour permettre un écoulement de l'air de refroidissement, par exemple de l'air de prélèvement d'un compresseur. Les canaux 23 ont de préférence une largeur et une profondeur (parallèle et normale à la surface 24, respectivement) allant jusqu'à environ 0,1 pouce (environ 2,5 mm), avec une plage typique d'environ 0,01 à environ 0,050 pouce (environ 0,25 à environ 1,25 mm), bien que des largeurs et des profondeurs inférieures et supérieures soient possibles. En outre, les canaux 23 ont de préférence une section transversale allant jusqu'à 0,01 pouce carré (environ 6,5 mm2), par exemple, d'environ 0,0001 à environ 0,0025 pouce carré (environ 0,065 à environ 1,6 mm2). Les canaux 23 sont représentés comme ayant une section transversale rectangulaire, bien qu'il soit possible d'envisager que des formes de section transversale autres que rectangulaires puissent être obtenues pour les canaux 23. Néanmoins, une section transversale rectangulaire est produite par divers procédés par lesquels les canaux 23 peuvent être facilement définis dans la région de surface 22, par exemple, le meulage, l'électroérosion par fil, l'électroérosion meulée, la découpe au jet d'eau, et la découpe au laser. Les canaux 23 sont représentés comme étant formés en séries de canaux 23 individuels plus proches les uns des autres que des canaux 23 de séries adjacentes. Néanmoins, cette configuration n'est pas nécessaire, et d'autres configurations sont envisageables. Les canaux 23 sont formés dans la surface 24 de la région 22 de façon à être couplés fluidiquement à un ou plusieurs passages de refroidissement 28 (dont l'un est représenté sur les figures 2-6) qui sont situés plus profond sous la surface 24, comme représenté sur la figure 2. Le passage de refroidissement 28 reçoit de l'air de refroidissement, comme de l'air de prélèvement de compresseur, à travers une ou plusieurs ouvertures (non montrées) dans la section d'emplanture de l'aube 10, et dirige ensuite l'air de refroidissement vers les canaux 23 ainsi que les trous de refroidissement 18. Chaque passage de refroidissement 28 a de préférence une section transversale plus grande que les canaux 23. Le passage de refroidissement 28 peut être formé par des procédés conventionnels, par exemple, avec des noyaux employés dans des procédés de moulage traditionnels utilisés pour mouler l'aube 10. La proximité du passage de refroidissement 28 par rapport à la surface de moulage 24 de l'aube 10 et finalement de toute surface la plus extérieure formée par un revêtement de l'aube 10, est limitée par la capacité à placer précisément un noyau et à le maintenir en position pendant le processus de moulage, et dans la plupart des cas sera à environ 0,1 pouce (environ 2,5 mm) ou plus de la surface de moulage 24. La figure 3 représente le résultat de l'application d'une couche 30 sur la surface de moulage 24 et ses canaux 23 pour fermer les canaux 23 au niveau de la surface 24. La couche 30 peut être appliquée sur toute partie de l'aube 10, et particulièrement toutes surfaces extérieures de l'aube 10, bien qu'il soit aussi possible d'employer des techniques de masquage de telle manière que la couche 30 soit appliquée uniquement sur les surfaces de l'aube 10 où les canaux 23 sont formés. Comme cela est évident sur la figure 3, les canaux 23 et la couche 30 coopèrent pour définir des passages 26 qui sont intérieurs à l'aube 10. Etant donné que les canaux 23 ne sont séparés de la surface 32 de la couche 30 que par l'épaisseur de la couche 30, les passages 26 sont plus proches de la surface 32 de la couche 30 que le passage de refroidissement 28 par lequel les passages 26 sont alimentés en air de refroidissement. La couche 30 est de préférence appliquée par un processus de placage pour adhérer étroitement à la surface 24. Des techniques de placage incluent la galvanoplastie et le dépôt sans courant, qui sont bien connus et donc n'ont pas besoin d'être présentés plus en détail. Pour éviter que le matériau de placage se dépose dans les canaux 23, la figure 3 représente en outre les canaux 23 remplis avec un matériau de remplissage ou matériau de masquage 34. Le matériau de masquage 34 est présent pendant le dépôt de la couche 30, mais est ensuite retiré des passages 26 avant de placer l'aube 10 en service. Le matériau de masquage 34 peut de préférence être retiré à un moment approprié après que la couche 30 a été déposée, par exemple en faisant fondre le matériau de masquage 34. Des exemples non limitatifs de matériaux convenables incluent des cires, le graphite, et d'autres matériaux pouvant remplir les canaux 23 et être plaqués dessus, tout en pouvant être retirés par des traitements chimiques ou thermiques. On peut envisager une variété de matériaux utilisables comme matériau de masquage 34. Des procédés de placage sont préférés pour déposer la couche 30 du fait de leur température de traitement relativement basse qui évite de faire fondre prématurément le matériau de masquage 34, de la capacité à plaquer des surfaces de formes relativement complexes, de la capacité à ajuster précisément l'épaisseur de la couche déposée 30, et de la variété des matériaux qui peuvent être déposés par placage. Néanmoins, il peut être possible d'adapter certaines techniques de pulvérisation par plasma ou de brasage pour former la couche 30. La composition de la couche 30 est de préférence chimiquement ou physiquement compatible avec le matériau de la région de surface 22. Un matériau particulièrement remarquable pour la couche 30 est le nickel, un alliage contenant du nickel, ou un alliage à base de nickel si la région de surface 22 est formée d'un superalliage à base de nickel. Par exemple, du nickel peut être déposé par un processus par lequel des particules d'autres éléments peuvent être dispersées dans une matrice à base de nickel. Un tel processus est enseigné dans la demande de brevet U.S. N° 2003/0211239, dans lequel des particules de chrome, d'aluminium, de zirconium, d'hafnium, de titane, de tantale, de silicium, de calcium, de fer, d'yttrium et/ou de gallium peuvent être incorporées dans une couche plaquée de nickel, de cobalt et/ou de fer par un processus de placage. Un alliage à base de nickel qui peut être produit par un processus de placage est un revêtement du type MCrAlY, comme un NiCoCrAlY. L'épaisseur de la couche 30 affecte la capacité du flux d'air de refroidissement passant à travers les passages 26 à refroidir les surfaces extérieures de l'aube 10 soumises à la veine de gaz chauds. L'épaisseur de la couche 30 est habituellement d'environ 0,01 pouce (environ 250 micromètres) ou moins, bien que de plus fortes épaisseurs puissent être envisagées.
L'épaisseur de la couche 30 affecte aussi l'intégrité structurelle de la région de surface 22, et comme telle une épaisseur minimale de la couche 30 est habituellement d'environ 0,005 pouce (environ 125 micromètres). Alors que la composition de la couche 30 détermine sa résistance et sa conductivité thermique, on pense qu'une épaisseur dans une plage d'environ 0,005 à environ 0,01 pouce (environ 125 à environ 250 micromètres) convient habituellement. La figure 4 représente le résultat de l'enlèvement du matériau de masquage 34 des passages 26 et de l'aluminisation de la surface 32 de la couche 30 pour former une région contenant de l'aluminium 36 dans la surface 32 de la couche 30. La région 36 peut être appelée riche en aluminium, signifiant que la région 36 contient une plus grande quantité d'aluminium (en pourcentage atomique) que le substrat dans laquelle elle est formée. Le processus d'aluminisation dépose de l'aluminium et est susceptible de former des aluminures (aluminium intermétallique) sur et sous la surface 32 de la couche 30. Divers processus peuvent être utilisés pour former la région contenant de l'aluminium 36, dont des exemples sont décrits dans les demandes de brevet U.S. N° 2009/0214773 et 2009/01226 2833, bien que d'autres processus de diffusion d'aluminures puissent être utilisés de façon similaire à ceux qui sont utilisés pour former des revêtements d'ancrage d'aluminure de diffusion et des revêtements environnementaux. L'aluminisation de la surface 32 de la couche 30 est une étape optionnelle mais préférée pour diverses raisons concernant des systèmes de revêtement représentés sur les figures 5 et 6. Sur la figure 5, un revêtement d'ancrage 38 est représenté comme ayant été déposé directement sur la région contenant de l'aluminium 36, suivi par un revêtement de barrière thermique 40 (RBT) déposé sur le revêtement d'ancrage 38. Sur la figure 6, un revêtement de barrière thermique 42 est représenté comme ayant été déposé directement sur la région contenant de l'aluminium 36, sans l'intervention d'un revêtement d'ancrage. Des matériaux habituels mais non limitatifs pour les revêtements de barrière thermique 40 et 42 sont des matériaux céramiques, dont un exemple notable est le zirconium partiellement ou entièrement stabilisé avec de l'yttrium (YSZ) ou un autre oxyde comme du magnésium, du cérium, du scandium et/ou du calcium, et en option d'autres oxydes pour réduire la conductivité thermique. Les revêtements de barrière thermique 40 et 42 sont déposés sur une épaisseur qui est suffisante pour fournir un niveau souhaité de protection thermique pour la région de surface 22 sous-jacente de l'aube 10, généralement de l'ordre d'environ 75 à environ 300 micromètres, bien que des épaisseurs inférieures ou supérieures soient aussi possibles. Comme cela est habituel avec des systèmes RBT pour des composants de moteurs à turbine à gaz, le revêtement d'ancrage 38 est de préférence un composé contenant de l'aluminium, par exemple, un revêtement recouvrant comme du MCrAlX (où M est du fer, du cobalt et/ou du nickel, et X est de l'Yttrium, des métaux de terre rare, et/ou des métaux réactifs), bien que l'utilisation d'autres compositions de revêtement d'ancrage soit aussi envisageable. Des revêtements d'ancrage contenant de l'aluminium comme du MCrAlX développent naturellement une couche (non montrée) d'oxyde d'aluminium (alumine), qui peut empêcher l'oxydation de la surface qu'elle couvre (comme la surface 32 de la couche 30), ainsi que lier chimiquement le revêtement de barrière thermique 40 au revêtement d'ancrage 38. Des matériaux de revêtement MCrAlX convenant particulièrement contiennent habituellement environ 5% en poids ou plus d'aluminium, bien que des revêtements de MCrAlX contenant moins de 5% en poids d'aluminium puissent aussi être utilisés. Le revêtement d'ancrage 38 a habituellement une épaisseur d'environ 12 à environ 75 micromètres, bien que des épaisseurs inférieures ou supérieures soient aussi possibles. Le revêtement d'ancrage 38 peut être déposé par divers processus, comme des processus de dépôt physique en phase vapeur (PVD) et des processus de pulvérisation thermique comme la pulvérisation par plasma, la pulvérisation HVOF (pulvérisation à la flamme à haute vitesse) et la pulvérisation à l'arc avec fils. Si la couche 30 ne contient aucun aluminium, par exemple, du nickel ou un alliage de nickel, l'aluminium dans le revêtement d'ancrage 38 a tendance à se diffuser dans la couche métallique 30, diminuant le contenu en aluminium dans le revêtement d'ancrage 38. Finalement, le niveau de l'aluminium dans le revêtement d'ancrage 38 peut être suffisamment abaissé pour empêcher une croissance lente ultérieure de la couche d'oxydes de protection, permettant une croissance plus rapide des oxydes non protecteurs et réduisant ainsi la capacité du revêtement d'ancrage 38 à fournir une résistance à l'oxydation à la région de surface 22 et à adhérer au revêtement de barrière thermique 40. Par conséquent, en créant la région contenant de l'aluminium 36 dans la surface 32 de la couche 30, les gradients chimiques qui favorisent la diffusion d'aluminium depuis le revêtement d'ancrage 38 sont réduits. Dans le mode de réalisation de la figure 6, la région contenant de l'aluminium 36 remplace le revêtement d'ancrage 38 de la figure 5, et une couche d'alumine qui croît sur la région 36 fournit une résistance à l'oxydation et favorise l'adhésion du revêtement de barrière thermique 42. Dans ce mode de réalisation, la région contenant de l'aluminium 36 est de préférence déposée par un processus de diffusion pour contenir de l'aluminure de platine (PtAI) intermétallique.
Les revêtements de barrière thermique 40 et 42 sont représentés sur les figures 5 et 6 comme ayant des structures différentes. Le revêtement 40 représenté sur la figure 5 est déposé par un processus de pulvérisation thermique, comme une pulvérisation par plasma d'air (APS), par laquelle des particules ramollies se déposent en "flaques" sur la surface de dépôt formée par le revêtement d'ancrage 38, et donnent un revêtement 40 ayant des grains aplatis irréguliers, non en colonnes, et un certain degré d'inhomogénéité et de porosité. Cette catégorie de revêtement de barrière thermique inclut des revêtements appelés revêtements de barrière thermique craquelés verticalement denses, qui sont déposés par pulvérisation par plasma pour avoir des microcraquelures verticales pour améliorer la durabilité, comme cela est rapporté dans les brevets U.S. N° 5830586, 5897921, 5989343 et 6047539. D'autre part, le revêtement 42 présenté sur la figure 6 est déposé par un processus PVD, comme un dépôt physique en phase vapeur par faisceau d'électrons (EBPVD), qui réalise une structure de grains en colonnes qui peut s'étendre et se contracter sans causer de contraintes d'endommagement qui mènent à un écaillage. En variante, le revêtement 42 de la figure 6 peut être déposé comme un film fin par un processus de pulvérisation par plasma basse pression (LPPS), aussi connu sous le nom de pulvérisation par plasma sous vide (VPS). A la suite des étapes de procédé décrites ci-dessus, les passages 26 définis par les canaux 23 et la couche métallique 30 dans l'aube 10 sont des passages de refroidissement près de la surface 26 qui sont plus proches de la surface la plus extérieure 44 de l'aube 10 (définie par l'un des revêtements de barrière thermique 40 et 42) que le passage de refroidissement 28 formé par des procédés de moulage conventionnels avec noyaux pendant le moulage de l'aube 10. Des ouvertures (non montrées peuvent être formées dans les passages 26 à travers lesquelles de l'air de refroidissement venant du passage 28 est dirigé vers l'extérieur de l'aube 10, ou les passages 26 peuvent être reliés fluidiquement aux trous de refroidissement 18 présents dans le profil aérodynamique 12. Etant donné que la distance entre chaque passage 26 et la surface la plus extérieure 44 est déterminée par la couche 30, le revêtement d'ancrage 38 (s'il est présent), et le revêtement de barrière thermique 40 ou 42, ainsi que les épaisseurs combinées de ces couches peuvent être ajustés par leurs processus de dépôt respectifs, les passages 26 peuvent être à deux millimètres ou moins sous la surface la plus extérieure 44 de l'aube 10, plus préférablement environ un millimètre ou moins sous la surface la plus extérieure 44, et peuvent même être 200 micromètres et moins sous la surface la plus extérieure 44, ce qui est significativement inférieur à ce qui est possible avec le passage de refroidissement 28 obtenu par moulage à l'aide d'un noyau en utilisant un procédé de moulage conventionnel. Les passages 26 peuvent augmenter significativement l'efficacité du transfert de chaleur de l'aube 10 en comparaison du passage de refroidissement 28.
Liste des repères 10 aube 110 12 pale profilée 112 14 queue d'aronde 114 16 plate-forme 116 18 trous 118 22 région 122 23 canaux 123 24 surface 124 26 passages 126 28 passages 128 30 couche 130 32 surface 132 34 matériau 134 36 région 136 38 revêtement 138 40 revêtement 140 42 revêtement 142 44 surface 144