FR3044702A1 - Secteur annulaire hybride a revetement de protection tolerant a la touche - Google Patents

Secteur annulaire hybride a revetement de protection tolerant a la touche Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un procédé d'obtention d'un secteur annulaire de stator (6) ayant un bord de fuite (6A) et un bord d'attaque (6B) et comprenant à sa surface interne un revêtement de protection, procédé comportant : . l'usinage du secteur annulaire avec une géométrie prédéterminée comportant une cavité (60) se raccordant avec les bords de fuite et d'attaque par des plans inclinés respectifs (62, 64), . l'application d'un revêtement de protection dense (12) à la surface du secteur annulaire ainsi usiné, . l'application d'un revêtement de protection poreux (10) sur le revêtement de protection dense ainsi appliqué, . l'usinage du secteur annulaire ainsi recouvert du revêtement de protection poreux jusqu'à faire apparaitre le revêtement de protection dense au niveau des bords d'attaque et bords de fuite du secteur annulaire définissant ainsi sur la surface interne du secteur annulaire deux zones de revêtement de porosité différente, l'une sur une partie centrale du secteur annulaire et l'autre sur des parties périphériques de part et d'autre de cette partie centrale.

Description

Arrière-plan de l'invention
La présente invention se rapporte au domaine général des stators pour moteur à turbine à gaz. Elle vise plus précisément les revêtements qui sont déposés sur la surface interne d'un secteur annulaire formant stator entourant le rotor du moteur.
Un domaine particulier d'application de l'invention est celui des turbines d'un moteur aéronautique (notamment d'avion ou d'hélicoptère).
Une turbine de moteur aéronautique comprend un anneau de turbine formé d'une structure annulaire monobloc ou d'une pluralité de secteurs d’anneaux jointifs qui entourent un ensemble d'aubes rotatives mues par les gaz de combustion.
Afin d'assurer le meilleur rendement possible d'un moteur aéronautique, il est à la fois nécessaire d'augmenter la température des gaz et d'éviter ou au moins de limiter au minimum les fuites de ces gaz entre les sommets des aubes et la surface en regard du secteur annulaire de turbine, lesquelles fuites ne contribuent pas au fonctionnement du moteur. La recherche d'une absence de jeu ou d'un jeu minimum fait que des contacts peuvent être inévitables entre les sommets des aubes et le matériau situé en vis-à-vis (on parle de tolérance à la touche). En raison de la dureté habituelle de ce matériau, de tels contacts peuvent être destructeurs vis-à-vis des sommets d'aube.
Pour répondre à ces deux problématiques et comme le montre la figure 3, il est connu de mettre en place sur la surface interne des secteurs annulaires 20 en vis-à-vis des aubes 22 de turbine et pour en éviter l'usure, un revêtement fortement abradable 24 en matériau poreux, de type céramique à base de Zircone, BSAS ou silicates de terres rares qui aura également une fonction de barrière thermique ou environnementale vis à vis du matériau support (métal ou composite à matrice céramique) formant le secteur.
La nature d'un tel revêtement à base d'oxydes lui donne la possibilité d'être utilisé à haute température (supérieure à 1100°C) car il conserve ses propriétés physiques. Ce revêtement est également réputé pour être facile à réaliser, de faible coût (dépôt par projection thermique) et présente, lorsqu'il est poreux, de bonnes propriétés d'abradabilité.
Toutefois, ce revêtement abradable poreux ne montre pas un comportement de résistance à l’érosion suffisant pour garantir le fonctionnement du système jusqu'au potentiel envisagé pour les moteurs actuels, le revêtement étant dégradé et les jeux ouverts avant que celui-ci n'ait atteint le niveau de performance souhaité. En effet, le bord d'attaque du secteur comme le bord de fuite sont des zones soumises à une importante érosion, résultant notamment de la présence de discontinuités au niveau de la surface de la veine lors du changement de secteur dans le sens de l'écoulement des gaz. Un secteur doit donc résister à l'érosion en plus de résister à la température, aux sollicitations mécaniques, au cyclage thermique, du fait notamment des importantes vitesses de gaz rencontrées dans les moteurs actuels les plus performants.
Il existe donc aujourd'hui un besoin de pouvoir disposer d'un revêtement sur la surface interne des secteurs annulaires de turbine qui ne présente pas tous les inconvénients précités.
Objet et résumé de l'invention
La présente invention a donc pour but de fournir un secteur annulaire de stator de turbine ayant un bord de fuite et un bord d'attaque et comprenant à sa surface interne un revêtement de barrière thermique ou environnementale tolérant à la touche et présentant en outre un comportement particulièrement performant, en matière d'érosion comme à haute température, tout en étant de faible coût à réaliser.
Ce but est atteint grâce à un procédé d'obtention comportant : . l'usinage d'un secteur annulaire avec une géométrie prédéterminée comportant une cavité se raccordant avec lesdits bords de fuite et d'attaque par des plans inclinés respectifs, . l'application d'un revêtement de protection dense à la surface dudit secteur annulaire ainsi usiné, . l'application d'un revêtement de protection poreux sur ledit revêtement de protection dense ainsi appliqué, . l'usinage dudit secteur annulaire ainsi recouvert dudit revêtement de protection poreux afin de faire apparaître ledit revêtement de protection dense au niveau desdits bords d’attaque et bords de fuite dudit secteur annulaire définissant ainsi sur ladite surface interne du secteur annulaire deux zones de revêtement de porosité différente, l'une sur une partie centrale dudit secteur annulaire et l'autre sur des parties périphériques de part et d'autre de cette partie centrale.
Ainsi, en positionnant des revêtements différents sur différentes zones de la surface du secteur annulaire en contact avec la veine d'air, une céramique dense dans les zones en bord de secteur ou l'érosion est importante et une céramique poreuse dans la zone abradable en face des aubes, la performance globale de la surface est améliorée.
Avantageusement, dans lequel ledit revêtement de protection poreux et ledit revêtement de protection dense sont réalisés à partir d'une même céramique poreuse ou dense ayant des microstructures différentes.
De préférence, ledit revêtement de protection poreux formant ladite partie centrale est constitué principalement de zircone, BSAS ou silicates de terres rares et possède un taux de porosité compris entre 25% et 50% (avec des pores de taille comprise entre 5 et 50pm) et ledit revêtement de protection dense formant lesdites parties périphériques est constitué principalement de zircone, BSAS ou silicates de terres rares et possède un taux de porosité égal ou inférieur à 15% (avec des pores de taille inférieure à 5pm).
Avantageusement, la zircone est dopée à l'yttrium, au gadolinium, au dysprosium ou à tout autre stabilisant de la zircone en phase quadratique ou cubique.
De préférence, l'application dudit revêtement de protection dense ou dudit revêtement de protection poreux est effectuée par projection thermique, par frittage ou par procédé sol-gel. L'invention a aussi pour objet un moteur à turbine à gaz comprenant au moins un secteur annulaire de stator de turbine tel que défini précédemment.
Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 est une vue schématique d'un ensemble rotor-stator intégrant un secteur annulaire de stator conforme à l'invention ; - les figures 2A-2D montrent les différentes étapes nécessaire à la réalisation du secteur annulaire de stator de la figure 1 ; et - la figure 3 est une vue schématique d'un ensemble rotor-stator intégrant un secteur annulaire de stator de l'art antérieur.
Description détaillée de l'invention L'invention s'applique à tout ensemble rotor-stator pour moteur à turbine à gaz dans lequel le sommet du rotor vient en contact avec la surface interne d'un secteur annulaire formant partie du stator entourant le rotor.
La figure 1 représente en coupe de façon schématique un exemple d'application de l'invention dans lequel le rotor est constitué d'aubes rotatives 2 d'une turbine haute-pression de turboréacteur et le stator est un anneau de turbine monobloc ou formé d'une pluralité de secteurs annulaires 4, 6, 8 jointifs entourant les aubes et au niveau de chacun desquels sont définis, selon le sens d'écoulement des gaz tel qu'illustré par la flèche, un bord de fuite 6A et un bord d'attaque 6B du secteur considéré. Dans un tel ensemble rotor-stator, le jeu (exagéré à fin de représentation) entre la surface interne du secteur annulaire 6 de turbine et le sommet des aubes 2 est nul ou quasi-nul.
Selon l'invention, la surface interne du secteur annulaire 6 en contact avec la veine d'air comporte d'une part un revêtement de protection poreux 10 formé d'un matériau céramique possédant un taux de porosité compris entre 25% et 50% (préférentiellement de 25 à 30%) avec des pores de taille comprise entre 5 et 50 pm et d'autre part un revêtement de protection dense 12 formé aussi d'un matériau céramique mais possédant un taux de porosité égal ou inférieur à 15% (préférentiellement égal à 10%) avec des pores de taille inférieure à 5 pm. On notera que dans chacun des deux revêtements, les pores sont de préférence répartis de manière homogène dans toute l'épaisseur des couches.
Selon la nature du matériau support, soit un matériau support métallique de type superalliage à base de nickel ou cobalt soit un matériau support composite à matrice céramique, le revêtement de protection devra aussi assurer une fonction de barrière thermique ou de barrière environnementale. Dans le premier cas (barrière thermique de matériau métallique), on choisira de préférence une céramique constituée principalement (c'est-à-dire à au moins 80% de la composition du revêtement) de zircone pouvant être avantageusement dopée (à l'yttrium, au gadolinium, au dysprosium, ou à tout autre stabilisant de la zircone en phase quadratique ou cubique) et alors que dans le second cas (barrière environnementale de matériau composite), on choisira de préférence une céramique à base de baryum strontium aluminosilicate (BSAS) ou de silicates de terres rares (yttrium, dysprosium, etc...)·
Les revêtements de protection poreux 10 et dense 12 sont donc réalisés à partir d'une même céramique poreuse ou dense ayant des microstructures différentes. En effet, la couche de zircone, BSAS ou silicates de terres rares constituant le revêtement dense possède une taille des pores qui est inférieure à 5 pm de manière à garantir des propriétés mécaniques (dureté et résistance aux chocs thermiques) les plus élevées possible et favoriser la résistance à l'érosion du revêtement, tandis que la couche de zircone, BSAS ou silicates de terres rares constituant le revêtement poreux présente une taille des pores qui est comprise entre 5 et 50 pm et une porosité contrôlée de façon à garantir des propriétés d'abradabilité performantes.
On notera que la composition de la poudre de zircone formant ces revêtements n'est pas nécessairement strictement identique pour les deux revêtements. Ainsi, on pourra par exemple ajouter des agents stabilisés dans l'une ou l'autre des poudres.
En liaison avec les figures 2A à 2D, on décrira maintenant le procédé de réalisation d'un secteur annulaire conforme à l'invention.
La première étape est illustrée à la figure 2A et consiste à usiner de secteur annulaire 6 avec une géométrie prédéterminée comportant une cavité 60 dont la largeur est au moins égale à la largueur de l'aube en regard qui est de l'ordre de 5 à 25 mm, le raccord de cette cavité avec les bords de fuite 6A et d'attaque 6B du secteur s'effectuant par des plans inclinés respectifs 62, 64. La profondeur de cette cavité est liée aux épaisseurs des revêtements 10,12 souhaités.
Dans la deuxième étape de la figure 2B, il est procédé à l'application du revêtement de protection dense 12 à la surface du secteur annulaire 6, cette application s'effectuant donc à la fois dans la cavité 60, sur les plans inclinés 62, 64 et sur les bords de fuite 6A et d'attaque 6B du secteur. Cette application peut être effectuée de façon classique par projection thermique d'une poudre agglomérée contenant de préférence un agent porogène et un lubrifiant solide si besoin. On peut également recourir à une projection thermique d'une suspension de poudre nanométrique qui favorise l'obtention d'une microstructure plus fine. Toutefois, un dépôt par frittage de poudres ayant une microstructure submicronique avec ou sans agent porogène et lubrifiant solide est aussi envisageable. Le frittage permet un contrôle accru de la microstructure par la mise en forme du dépôt à une température inférieure à la température de fusion de la céramique. En particulier, la microstructure pourra être conservée fine et la porosité pourra être contrôlée tant dans son homogénéité que dans sa taille et sa répartition. Une fois achevée, la couche de revêtement dense présente de préférence une dureté comprise entre 70 et 95 HR15Y (indice de dureté Rockwell superficielle), ce qui permet de garantir une résistance à l'érosion suffisante.
Cette application est répétée à l'étape suivante de la figure 2C avec le revêtement de protection poreux 10 qui vient donc recouvrir entièrement le revêtement de protection dense 12.
Les méthodes d'application envisageables, projection ou frittage, sont semblables aux précédentes. Toutefois, on pourra encore recourir à un procédé sol-gel pour déposer la couche de revêtement poreux. Une fois achevée, cette couche de revêtement poreux 10 présente avantageusement un module élastique compris entre 4 et 10 GPa. De telles valeurs confèrent au revêtement une meilleure résistance aux chocs thermiques.
Il ne reste plus alors, dans une étape finale illustrée à la figure 2D, qu'à réaliser un usinage ou une rectification de surface du secteur annulaire 6 jusqu'à faire apparaître le revêtement de protection dense sur les bords d'attaque et bords de fuite du secteur annulaire définissant ainsi à la surface interne du secteur annulaire deux zones de revêtement de porosité différente, l'une sur une partie centrale de ce secteur en regard de l'aube 2 correspondant au revêtement de protection poreux 10 et l'autre sur des parties périphériques, de part et d'autre de cette partie centrale, au niveau des bords de fuite et d'attaque de ce secteur correspondant au revêtement de protection dense 12. La largeur de l'aube ne représentant qu'une partie de la largeur du secteur, de l'ordre de 10 à 80% la zone où le besoin d'abradabilité est nécessaire est de fait relativement limitée.
Ainsi, avec l'invention, il est possible d'utiliser un revêtement formant barrière thermique ou environnementale pour des moteurs aéronautiques permettant d'augmenter la température de fonctionnement tout en réduisant le jeu sans risquer une usure importante des aubes de la turbine en cas de touche et ceci en ayant un revêtement qui ne s'érodera pas en deçà du potentiel demandé. De plus, un comportement homogène sur l'ensemble des conditions de touche (à savoir vitesse tangentielle, vitesse d'incursion et température) est obtenu avec un état de surface après usinage satisfaisant.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé d'obtention d'un secteur annulaire de stator (6) ayant un bord de fuite (6A) et un bord d'attaque (6B) et comprenant à sa surface interne un revêtement de protection, procédé comportant : . l'usinage d'un secteur annulaire (6) avec une géométrie prédéterminée comportant une cavité (60) se raccordant avec lesdits bords de fuite et d'attaque par des plans inclinés respectifs (62, 64), . l'application d'un revêtement de protection dense (12) à la surface dudit secteur annulaire ainsi usiné, . l'application d'un revêtement de protection poreux (10) sur ledit revêtement de protection dense ainsi appliqué, . l'usinage dudit secteur annulaire ainsi recouvert dudit revêtement de protection poreux jusqu'à faire apparaître ledit revêtement de protection dense au niveau desdits bord d'attaque et bord de fuite dudit secteur annulaire définissant ainsi sur ladite surface interne du secteur annulaire deux zones de revêtement de porosité différente, l'une sur une partie centrale dudit secteur annulaire et l'autre sur des parties périphériques de part et d'autre de cette partie centrale.
  2. 2. Procédé d'obtention d'un secteur annulaire selon la revendication 1, dans lequel ledit revêtement de protection poreux et ledit revêtement de protection dense sont réalisés à partir d'une même céramique poreuse ou dense ayant des microstructures différentes.
  3. 3. Procédé d'obtention d'un secteur annulaire selon la revendication 2, dans lequel ledit revêtement de protection poreux formant ladite partie centrale est constitué principalement de zircone, de BSAS ou de silicate de terres rares et possède un taux de porosité compris entre 25% et 50%.
  4. 4. Procédé d'obtention d'un secteur annulaire selon la revendication 3, dans lequel ledit revêtement de protection poreux comporte des pores de taille comprise entre 5 et 50 pm.
  5. 5. Procédé d'obtention d'un secteur annulaire selon la revendication 2, dans lequel ledit revêtement de protection dense formant lesdites parties périphériques est constitué principalement de zircone, de BSAS ou de silicate de terres rares et possède un taux de porosité égal ou inférieur à 15%.
  6. 6. Procédé d'obtention d'un secteur annulaire selon la revendication 5, dans lequel ledit revêtement de protection dense comporte des pores de taille inférieure à 5 pm.
  7. 7. Procédé d'obtention d'un secteur annulaire selon la revendication 3 ou la revendication 5, dans lequel la zircone est dopée à l'yttrium, au gadolinium, au dysprosium ou à tout autre stabilisant de la zircone en phase quadratique ou cubique.
  8. 8. Procédé d'obtention d'un secteur annulaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel l'application dudit revêtement de protection dense ou dudit revêtement de protection poreux est effectuée par projection thermique, par frittage ou par procédé sol-gel.
  9. 9. Secteur annulaire de stator de turbine obtenu selon le procédé des revendications 1 à 8.
  10. 10. Moteur à turbine à gaz comprenant au moins un secteur annulaire selon la revendication 9.
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