FR3009314A1 - Revetement anti-cmas pour barriere thermique - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne une barrière thermique (20) sur un substrat métallique (10) pour applications à températures supérieures à une température élevée T, qui comporte un premier revêtement céramique (30) qui est situé sur ce substrat (10) et qui est constitué de plusieurs éléments chimiques. La barrière thermique (20) comporte en outre, directement sur la face externe (35) du premier revêtement (30), un second revêtement (40) qui est poreux avec une surface spécifique supérieure à 10 m2/g et qui comprend au moins un des éléments chimiques du premier revêtement (30), le second revêtement (40) recouvrant totalement la face externe (35).

Description

La présente invention concerne une barrière thermique sur un substrat métallique pour applications à températures supérieures à une température élevée T, qui comporte un premier revêtement céramique qui est situé sur ce substrat et qui est constitué de plusieurs éléments chimiques. Les aubes de turbine haute pression des turbomachines doivent conserver leurs propriétés mécaniques, leur résistance à la corrosion, et leur résistance à l'oxydation dans l'environnement agressif des gaz à très haute température (plus de 1000°C) éjectés à haute vitesse. Les alliages métalliques résistants à haute température les plus performants actuellement ont, dans cet environnement, des performances mécaniques et une durée de vie insuffisantes. Pour cette raison, il est nécessaire de recouvrir ces alliages avec une barrière thermique. Les barrières thermiques utilisées actuellement sont typiquement réalisées en déposant sur l'alliage un revêtement de céramique. Ce revêtement de céramique est en général à base de zircone (oxyde de zirconium). Ce revêtement de céramique constitue l'isolation thermique de l'alliage, et permet de maintenir la surface de l'alliage à des températures où ses performances mécaniques et sa durée de vie sont acceptables. Afin d'assurer l'ancrage de ce revêtement de céramique sur l'alliage, la surface de l'alliage est parfois recouverte d'une sous-couche (qui se situe donc à l'interface entre ce revêtement de céramique et la surface de l'alliage). En fonctionnement, il a été observé que les aubes de turbines étaient dégradées par des composés qui circulent dans la turbomachine. De tels composés sont par exemple des composés qui sont issus de particules ingérés par la turbomachine et qui sont des aluminosilicates de calcium et de magnésium (CMAS). D'autres composés peuvent être issus de cendres volcaniques ingérées par la turbomachine. De tels composés, éventuellement alliés à des oxydes provenant de pièces du moteur, fondent en surface de la couche de céramique et s'infiltrent dans les porosités (espaces intercolonnaires et porosités intracolonnaires). Ces composés endommagent alors le revêtement de céramique à la fois par une action mécanique (notamment par infiltration dans les espaces intercolonnaires), et par une action chimique en réagissant avec ce revêtement. Il en résulte une dégradation progressive de la barrière thermique, et ensuite du substrat en alliage.
La présente invention vise à remédier à ces inconvénients. L'invention vise à proposer une barrière thermique qui ne soit pas, ou moins, dégradée par les composés nocifs ingérés par la turbomachine, et plus généralement, une barrière thermique qui ne soit pas dégradée par des composés nocifs venant en contact avec cette barrière thermique dans des applications à haute température. Ce but est atteint grâce au fait que la barrière thermique comporte en outre, directement sur la face externe du premier revêtement, un second revêtement qui est poreux avec une surface spécifique supérieure à 10 m2/g et qui comprend au moins un des éléments chimiques du premier revêtement, le second revêtement recouvrant totalement cette face externe. Grâce à ces dispositions, le deuxième revêtement constitue une barrière environnementale à la diffusion des composés nocifs. De plus, il se produit une interaction entre les composés nocifs et le second revêtement qui réduit la nocivité de ces composés et donc diminue la réactivité de ces composés lorsqu'ils atteignent le premier revêtement de céramique sous-jacent. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une barrière thermique sur un substrat métallique. Selon l'invention, ce procédé comporte les étapes suivantes : (a) On dépose sur ledit substrat un premier revêtement céramique qui est constitué de plusieurs éléments chimiques, (b) On dépose directement sur la face externe du premier revêtement, un second revêtement qui est poreux avec une surface spécifique supérieure à 10 m2/g et qui comprend au moins un des éléments chimiques du premier revêtement, le second revêtement recouvrant totalement cette face externe. L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère au dessin annexé sur lequel : - la figure 1 est une vue en coupe d'une barrière thermique selon l'invention.
On considère un substrat métallique 10. Ce substrat est par exemple en superalliage, notamment en superalliage base nickel.
Sur ce substrat 10, on dépose, de façon connue, un premier revêtement 30 en céramique, qui agit comme une barrière qui protège thermiquement le substrat 10. Ce premier revêtement céramique 30 présente une face externe 35 qui est à l'opposé du substrat 10. En option, on forme sur la surface du substrat 10, de façon connue, une sous-couche d'un matériau, ceci afin d'améliorer l'ancrage de ce premier revêtement de céramique 30 sur le substrat 10. La présente invention concerne des applications à températures 10 supérieures à une température élevée T, c'est-à-dire que le substrat 10 et la barrière thermique 20 sont utilisés dans un environnement où la température est supérieure à une température élevée T. Par exemple, cette température T est égale à 1000°C. La barrière thermique 20 selon l'invention sur le substrat 10 15 comporte, outre le premier revêtement céramique 30, un second revêtement 40 qui est situé directement sur le premier revêtement 30, comme représenté en figure 1. Le second revêtement 40 recouvre totalement la face externe 35 du premier revêtement céramique 30, c'est-à-dire que chaque partie de cette 20 face externe 35 est recouverte par le second revêtement 40, quelle que soit la rugosité de la face externe 35 du premier revêtement 30. La barrière thermique 20 selon l'invention comprend le premier revêtement 30 et le second revêtement 40. Avantageusement, l'épaisseur minimale du second revêtement 40 est 25 au moins égale à 15 pm. Ainsi, il est garanti que les particules nocives (comprenant les composés nocifs pour l'intégrité du premier revêtement 30) qui circulent à l'extérieur de la barrière thermique 20 doivent traverser une épaisseur minimale de second revêtement 40 avant d'atteindre le premier 30 revêtement 30. Le second revêtement 40 agit notamment comme une barrière physique/mécanique aux particules nocives. Selon l'invention, le second revêtement 40 est poreux. Ainsi, le second revêtement 40 présente une surface spécifique qui est la plus 35 élevée possible (par rapport à un matériau non poreux), ce qui est avantageux.
En effet, les essais réalisés par les inventeurs ont montré qu'une plus grande surface spécifique donne une interaction chimique plus grande entre les particules nocives et le matériau du second revêtement 40, et donc une saturation des composés nocifs en un ou plusieurs éléments présents dans le deuxième revêtement 40 qui est plus élevée. Ces composés nocifs sont par exemple des aluminosilicates de calcium et de magnésium (CMAS). De plus, la structure poreuse du second revêtement 40 permet de mieux accommoder les contraintes mécaniques, notamment à l'interface 10 avec le premier revêtement 30. Selon l'invention, la surface spécifique du second revêtement 40 est supérieure à 10 m2/g (mètres carrés par gramme). Avantageusement, la surface spécifique est supérieure à 30 m2/g, encore plus avantageusement supérieure à 80 m2/g. 15 Ainsi l'interaction entre les composés nocifs et le second revêtement 40 est augmentée. Avantageusement, la surface spécifique du second revêtement 40 est comprise entre 30 m2/g et 300 m2/g, ce qui permet d'accroitre la réactivité et ainsi mieux contrôler l'efficacité de la protection offerte par le second 20 revêtement 40. Encore plus avantageusement, la surface spécifique du second revêtement 40 est comprise entre 80 m2/g et 100 m2/g. Selon l'invention, le second revêtement 40 comprend au moins un des éléments du premier revêtement 30. Par élément on entend un 25 élément chimique. Avantageusement, le second revêtement 40 comprend plusieurs des éléments du premier revêtement 30. Etant donné qu'au moins un des éléments présents dans le deuxième revêtement 40 sont constitutifs du premier revêtement 30, lorsque des 30 composés nocifs atteignent le premier revêtement 30 ces composés sont déjà saturés en ces éléments. Ces composés nocifs ne réagissent donc peu ou pas avec le premier revêtement 30. Par conséquent, il se produit peu ou pas de dégradation du premier revêtement 30. Avantageusement, le second revêtement 40 est constitué en 35 majorité d'au moins un des éléments du premier revêtement 30.
Par exemple, les essais réalisés par les inventeurs sur une barrière thermique avec un premier revêtement 30 en zircone yttriée avec un second revêtement 40 formé à partir de zircone yttriée ont montré que les CMAS se charge en yttrium au contact du second revêtement 40. En conséquence, ces particules perdent leur réactivité lors de leur contact ultérieur avec le premier revêtement 30. Alternativement, le second revêtement 40 est formé à partir d'oxyde d'yttrium Y203. Dans le cas général d'un premier revêtement 30 en zircone yttriée, le 10 second revêtement 40 contient en majorité de l'yttrium. Par exemple le second revêtement 40 comprend au moins un élément qui n'est pas présent dans le premier revêtement 30. Par exemple la composition du second revêtement 40 est identique à celle du premier revêtement 30. 15 L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une barrière thermique 20 sur un substrat métallique 10 telle que décrite ci-dessus. Dans le procédé selon l'invention, on dépose sur un substrat métallique 10 un premier revêtement céramique 30 qui est constitué de 20 plusieurs éléments chimiques (étape (a)). Ce premier revêtement céramique 30 présente ainsi une face externe 35. On dépose ensuite sur le premier revêtement 30, c'est-à-dire sur sa face externe 35 à l'opposé de sa face en contact avec le substrat 10, un 25 second revêtement 40. Ce second revêtement 40 est poreux avec une surface spécifique supérieure à 10 m2/g, et comprend au moins un des éléments chimiques constituant le premier revêtement 30 (étape (b)). Ce dépôt du second revêtement 40 peut être réalisé par divers procédés. 30 Avantageusement, on fournit une poudre comprenant au moins un des éléments du premier revêtement 30, puis on dépose cette poudre sur le premier revêtement 30 de manière à former le second revêtement 40. L'utilisation d'une poudre permet de mieux épouser les reliefs de la face externe 35 du premier revêtement 30 sur laquelle cette poudre est 35 déposée.
Avantageusement, la poudre utilisée présente une granulométrie très fine, afin de s'infiltrer plus efficacement dans les rugosités de la face 35 du premier revêtement 30et dans les espaces intercolonnaires du premier revêtement 30, et ainsi de le protéger plus efficacement.
Par exemple, cette granulométrie est inférieure à 1 pm. Avantageusement, cette poudre est obtenue et déposée par voie sol-gel. Le procédé sol-gel présente l'avantage d'obtenir des poudres avec des surfaces spécifiques élevées. A titre d'exemple, on décrit ci-dessous les étapes de la synthèse par 10 voie sol-gel d'une poudre de zircone yttriée, destinée à composer la second revêtement 40 : - Mélange d'acétyl-acétone dans 1-propanol et de Propoxyde de zirconium (Zr(OC3H7)4), - Mélange du mélange obtenu avec une solution de nitrate d'yttrium 15 dans 1-propanol - Mélange du mélange obtenu avec de l'eau et 1-propanol (10 mol/L) afin d'obtenir un sol, - Mise à l'étude du sol à une température de 50°C, - Séchage évaporatif, ou séchage supercritique, 20 - Calcination à l'air à une température de 700°C, On obtient ainsi une poudre d'oxydes (zircone yttriée). Les étapes de dépôt par voie sol-gel d'un second revêtement 40 à base de ces poudres est décrit ci-dessous : - Mélange de 1-propanol et d'un dispersant, 25 - Ajout de la poudre de zircone yttriée obtenue comme ci-dessus, - Suspension, - Obtention du sol chargé avec la poudre, - Dépôt sur le premier revêtement 30, - Traitement thermique du dépôt afin de former le second 30 revêtement 40. La poudre peut également être produite et/ou déposée sur le premier revêtement 20 par d'autres procédés que le procédé sol-gel. 35

Claims (7)

  1. REVENDICATIONS1. Barrière thermique (20) sur un substrat métallique (10) pour applications à températures supérieures à une température élevée T, qui 5 comporte un premier revêtement céramique (30) qui est situé sur ledit substrat (10) et qui est constitué de plusieurs éléments chimiques, ladite barrière thermique (20) étant caractérisée en ce qu'elle comporte en outre, directement sur la face externe (35) dudit premier revêtement (30), un second revêtement (40) qui est poreux avec une surface spécifique 10 supérieure à 10 m2/g et qui comprend au moins un des éléments chimiques dudit premier revêtement (30), ledit second revêtement (40) recouvrant totalement ladite face externe (35).
  2. 2. Barrière thermique (20) selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit second revêtement (40) comprend plusieurs des éléments 15 dudit premier revêtement (30).
  3. 3. Barrière thermique (20) selon la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce que ledit second revêtement (40) présente une épaisseur minimale au moins égale à 15 pm.
  4. 4. Barrière thermique (20) selon l'une quelconque des 20 revendications 1 à 3 caractérisée en ce que ledit premier revêtement (30) est de la zircone yttriée, et en ce que ledit second revêtement (40) contient en majorité de l'yttrium.
  5. 5. Procédé de fabrication d'une barrière thermique (20) sur un substrat métallique (10) qui est caractérisé en ce qu'il comporte les étapes 25 suivantes : (a) On dépose sur ledit substrat (10) un premier revêtement céramique (30) qui est constitué de plusieurs éléments chimiques, (b) On dépose directement sur la face externe (35) dudit premier revêtement (30), un second revêtement (40) qui est poreux avec 30 une surface spécifique supérieure à 10 m2/g et qui comprend au moins un des éléments chimiques dudit premier revêtement (30), ledit second revêtement (40) recouvrant totalement ladite face externe (35).
  6. 6. Procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce que, à l'étape 35 (b), on fournit une poudre comprenant au moins un des éléments duditpremier revêtement (30), puis on dépose ladite poudre sur ledit premier revêtement (30) de manière à former ledit second revêtement (40).
  7. 7. Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce que ladite poudre est obtenue et déposée par voie sol-gel.
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Citations (3)

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WO2001083851A1 (fr) * 2000-04-27 2001-11-08 Standard Aero Limited Revetements a barriere thermique multicouche
WO2011019486A1 (fr) * 2009-08-11 2011-02-17 Praxair S.T. Technology, Inc. Systèmes de revêtement de barrière thermique
WO2011110794A1 (fr) * 2010-03-12 2011-09-15 Snecma Methode de fabrication d'une protecton de barriere thermique et revetement multicouche apte a former une barriere thermique.

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