FR3053076A1 - Piece de turbomachine revetue d'une barriere thermique et d'un revetement de protection contre les cmas et procede pour l'obtenir - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne une piece de turbomachine (10) revêtue comprenant : un substrat (11) ; un premier revêtement de barrière thermique (13) en matériau céramique recouvrant ledit substrat ; et un deuxième revêtement poreux (15) en matériau céramique recouvrant le premier revêtement comprenant un matériau de protection contre les aluminosilicates de calcium et de magnésium CMAS, le deuxième revêtement présentant une première zone (15a) s'étendant sur une partie de son épaisseur et présentant un premier taux de porosité, et une deuxième zone (15b) s'étendant sur une partie de son épaisseur et recouvrant la première zone, la deuxième zone présentant un deuxième taux de porosité strictement inférieur au premier taux de porosité. L'invention vise également un procédé de fabrication d'une telle pièce.

Description

Arrière-plan de l'invention
La présente invention se rapporte au domaine général des revêtements de barrière thermique utilisés pour isoler thermiquement des pièces dans des environnements à haute température. L'invention s'applique plus particulièrement aux barrières thermiques utilisées pour protéger les pièces en superalliages ou en matériau composite à matrice céramique des turbines à gaz aéronautiques.
Les pièces présentes dans des parties chaudes des turbomachines aéronautiques opérant en milieu désertique, ou très pollué, se dégradent rapidement à cause de l'attaque du sable et des composés alcalins présents dans l'air ingéré par le moteur. Ces composés, connus sous le nom d'aluminosilicates de calcium et de magnésium, ou « CMAS » (regroupant notamment des oxydes de calcium, de magnésium, d'aluminium et de silicium), peuvent dégrader le revêtement jouant le rôle de barrière thermique recouvrant certaines pièces des parties chaudes de la turbomachine.
Parmi les mécanismes de dégradation de la barrière thermique par les composés CMAS, on distingue notamment l'infiltration à l'état liquide des composés CMAS dans la barrière thermique, et la dissolution-reprécipitation de la barrière thermique (constituée traditionnellement d'une céramique à base de zircone stabilisée à l'yttrine YSZ), en nodules isolés de zircone appauvris en yttrine. Ces deux mécanismes abaissent les propriétés mécaniques de la barrière thermique qui peut conduire à sa fissuration au cours des phases de refroidissement du moteur. De plus, l'ingestion de particules solides créée des phénomènes d'érosion de la barrière thermique qui s'écaille et laisse alors le substrat métallique sous-jacent à nu, réduisant ainsi la durée de vie des pièces.
Pour protéger une barrière thermique, on connaît le dépôt d'un revêtement de protection aux CMAS sur la barrière thermique comprenant un matériau céramique ayant des propriétés de résistance aux CMAS tel que l'yttrine Y203 ou le zirconate de gadolinium GdZr207. Toutefois, il a été observé que cette couche, bien qu'efficace pour empêcher l'infiltration des CMAS dans la barrière thermique, se dégrade rapidement après plusieurs cycles de fonctionnement de la turbomachine. Pendant un cycle de fonctionnement de la turbomachine, la pièce passe de la température ambiante à de hautes températures, et inversement. En conséquence, les propriétés et la longévité du revêtement de protection contre les CM AS peuvent être améliorées.
Il existe donc un besoin pour une pièce de turbomachine revêtue d'une barrière thermique qui présente des propriétés de résistance aux CMAS et une durée de vie améliorée. Il existe aussi un besoin pour disposer de procédés de fabrication d'une telle pièce qui soient de coût de mise en oeuvre réduit.
Objet et résumé de l'invention
La présente invention a donc pour but principal d'améliorer la protection de la barrière thermique en proposant une pièce de turbomachine revêtue comprenant : - un substrat ; - un premier revêtement de barrière thermique en matériau céramique recouvrant ledit substrat ; et - un deuxième revêtement poreux en matériau céramique recouvrant le premier revêtement et comprenant un matériau de protection contre les aluminosilicates de calcium et de magnésium (CMAS), le deuxième revêtement présentant une première zone s'étendant sur une partie de son épaisseur et présentant un premier taux de porosité, et une deuxième zone s'étendant sur une partie de son épaisseur et recouvrant la première zone, la deuxième zone présentant un deuxième taux de porosité strictement inférieur au premier taux de porosité.
Les inventeurs ont observé que les revêtements de protection contre les CMAS subissent de nombreuses contraintes mécaniques en fonctionnement, lesquelles affectent leur durée de vie. Ces contraintes entraînent une dégradation plus rapide du revêtement de protection contre les CMAS de la barrière thermique ainsi qu'une potentielle désolidarisation de ce dernier du substrat sous-jacent. Le deuxième revêtement de la pièce selon l'invention présente une deuxième zone qui présente une porosité limitée afin de conférer une protection efficace contre l'infiltration par les composés CMAS. Cette deuxième zone est située sur une première zone du deuxième revêtement qui présente une porosité plus élevée. Cette première zone permet avantageusement d'assurer une bonne compatibilité thermomécanique entre les premier et deuxième revêtements et ainsi d'améliorer la durée de vie de la barrière thermique. Le deuxième revêtement permet par ailleurs de boucher la porosité du premier revêtement afin de mieux le protéger contre l'infiltration par les composés CMAS.
Dans un exemple de réalisation, la pièce peut comprendre en outre entre le substrat et le premier revêtement une sous-couche d'accrochage. En particulier, lorsque le substrat est un superalliage (par exemple un superalliage à base de fer, de cobalt ou de nickel), la sous-couche peut comprendre un aluminiure simple ou modifié (par exemple NiAI ou NiCrAlY pour un substrat en superalliage à base de nickel). En variante, lorsque le substrat est un matériau composite à matrice céramique (CMC), la sous-couche d'accrochage peut comprendre du silicium, et par exemple être formée de silicium ou d'un siliciure métallique.
Dans un exemple de réalisation, le premier revêtement peut comprendre de la zircone stabilisée par un oxyde de terre rare. Par exemple, le matériau du premier revêtement peut être de la zircone stabilisée, par exemple partiellement stabilisée, à l'yttrine (YSZ ou 8YSZ).
Dans un exemple de réalisation, le matériau de protection contre les aluminosilicates de calcium et de magnésium est choisi parmi les suivants : les oxydes de terre rare, la zircone stabilisée par un oxyde de terre rare, les structures pyrochlores, les zirconates de terres rares, et leurs mélanges. Par exemple, le matériau de protection contre les CMAS peut être de l'yttrine Y2O3, de la cérine Ceo.sYo.sO^e, du zirconate d'yttrium Y2ZrÜ7 ou du zirconate de gadolinium GdZr207, etc.
Dans un exemple de réalisation, le deuxième taux de porosité peut être inférieur ou égal à la moitié du premier taux de porosité.
Dans un exemple de réalisation, le premier taux de porosité peut être compris entre 20% et 70%, par exemple compris entre 30% et 40%.
Dans un exemple de réalisation, le deuxième taux de porosité peut être compris entre 5% et 40%, par exemple compris entre 10% et 20%.
Dans un exemple de réalisation, le deuxième revêtement peut comprendre en outre une troisième zone s'étendant sur une partie de son épaisseur et recouvrant la deuxième zone, la troisième zone présentant un troisième taux de porosité, et une quatrième zone s'étendant sur une partie de son épaisseur et recouvrant la troisième zone, la quatrième zone présentant un quatrième taux de porosité strictement inférieur au troisième taux de porosité.
Avec cette disposition, les troisième et quatrième zones peuvent former une portion sacrificielle externe dans le deuxième revêtement, ce qui permet d'augmenter davantage encore la durée de vie du revêtement de barrière thermique et de la pièce revêtue. En effet, lorsque les composés CMAS fondus sont au contact de la quatrième zone du deuxième revêtement, ils induisent des contraintes dans la troisième zone, ce qui peut entraîner une délamination entre les deuxième et troisième zones, il subsiste alors sur la pièce les première et deuxième zones qui assurent même après cette délamination une protection contre les CMAS.
Le deuxième revêtement peut présenter une épaisseur comprise entre 1 pm et 400 pm, par exemple comprise entre 20 pm et 80 pm.
Dans un exemple de réalisation, le premier revêtement peut présenter un taux de porosité non nul strictement supérieur au premier taux de porosité.
Une telle caractéristique permet avantageusement d'améliorer davantage encore la compatibilité thermomécanique entre les premier et deuxième revêtements et donc la durée de vie de la barrière thermique.
Le taux de porosité du premier revêtement peut par exemple être compris entre 20% et 40%. L'invention vise également un procédé de fabrication d'une pièce telle que celle décrite précédemment, comprenant au moins une étape de formation du deuxième revêtement par voie humide sur le premier revêtement. Par « voie humide », on entend notamment les procédés de dépôt par voie sol-gel, par électrophorèse, ou par trempage-retrait (ou « dip coating »).
De préférence, le deuxième revêtement est en tout ou partie formé par électrophorèse. Le deuxième revêtement peut également être en tout ou partie formé par une technique de trempage-retrait. Ces techniques permettent d'obtenir un deuxième revêtement homogène qui vient boucher la porosité du premier revêtement de barrière thermique, généralement de structure colonnaire, et présentent également l'avantage d'être peu coûteuses et faciles à mettre en œuvre.
Dans un exemple de réalisation, l'étape de formation du deuxième revêtement peut comprendre : - le dépôt par voie humide d'un revêtement précurseur du deuxième revêtement dans lequel au moins un agent porogène est présent, le revêtement précurseur comprenant une première zone destinée à former la première zone du deuxième revêtement présentant une première teneur volumique en agent porogène, et une deuxième zone destinée à former la deuxième zone du deuxième revêtement recouvrant la première zone, la deuxième zone du revêtement précurseur présentant une deuxième teneur volumique en agent porogène strictement inférieure à la première teneur volumique ; et - l'élimination de l'agent porogène par traitement thermique du revêtement précurseur déposé.
Dans un exemple de réalisation, l'agent porogène peut comprendre des particules de carbone qui peuvent être éliminées lors du traitement thermique du revêtement précurseur pour former les pores du deuxième revêtement. Dans ce cas, le traitement thermique peut être effectué sous atmosphère oxydante, par exemple sous air.
Dans un exemple de réalisation, le premier revêtement peut être formé sur le substrat par dépôt physique en phase vapeur, par exemple par dépôt physique en phase vapeur sous faisceau d'électrons (EB-PVD).
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 des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 est une vue agrandie en coupe de la surface d'une pièce de turbomachine selon un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 est une vue agrandie en coupe de la surface d'une pièce de turbomachine selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, - la figure 3 est un ordinogramme montrant les étapes d'un exemple de procédé de fabrication d'une pièce revêtue selon l'invention, et - les figures 4A à 4D illustrent les différentes étapes de l'exemple de procédé de la figure 3.
Description détaillée de l'invention
La figure 1 montre une vue agrandie en coupe de la surface d'une pièce de turbomachine 10 selon un premier mode de réalisation de l'invention, comprenant un substrat 11 recouvert, dans cet ordre, par : une sous-couche d'accrochage 12, un premier revêtement céramique 13 de barrière thermique, une couche conductrice de l'électricité 14 et un deuxième revêtement poreux en matériau céramique 15. Dans cet exemple, chacune des couches précitées recouvrant le substrat 11 est directement au contact des couches adjacentes ; le substrat 11 est quant à lui directement au contact de la sous-couche d'accrochage 12. Dans cet exemple, le deuxième revêtement forme une couche externe de la pièce 10. La pièce de turbomachine 10 peut par exemple être une pièce présente dans une partie chaude de la turbomachine, telle qu'une turbine, et constituer par exemple une aube de turbine, une partie d'un anneau de turbine, etc.
Le substrat 11 peut par exemple comprendre un superalliage métallique, par exemple un superalliage à base de nickel, ou un matériau CMC. La sous-couche d'accrochage 12, connue en soi, permet d'assurer une bonne adhésion du premier revêtement de barrière thermique 13 sur le substrat 11. Plus généralement, une telle sous-couche d'accrochage 12 permet d'assurer une bonne compatibilité mécanique entre le premier revêtement de barrière thermique 13 et le substrat 11, en compensant notamment la dilatation thermique différentielle qui pourrait exister entre les matériaux du premier revêtement 13 et du substrat 11.
Dans le cas où le substrat 11 comprend un superalliage métallique, la sous-couche d'accrochage 12 peut par exemple comprendre un aluminiure simple ou modifié (par exemple NiCrAlY pour un substrat en superalliage à base de nickel), qui peut s'oxyder en partie pour former une couche d'oxyde (aussi appelée TGO pour « Thermally Grown Oxide »). Dans le cas où le substrat 11 comprend un matériau composite à matrice céramique, la sous-couche d'accrochage 12 peut comprendre du silicium ou un siliciure métallique. De manière générale, le matériau de la sous-couche d'accrochage 12 sera adapté en fonction des matériaux formant le substrat 11 et le premier revêtement 13.
Le premier revêtement 13 peut comprendre, de façon connue en soi, de la zircone stabilisée à l'yttrine (YSZ) ou partiellement stabilisée à l'yttrine (8YSZ), qui présente généralement une structure colonnaire.
La couche conductrice de l'électricité 14, optionnelle, peut permettre de faciliter le dépôt du deuxième revêtement 15 par électrophorèse. Une telle couche conductrice de l'électricité 14 peut être avantageuse lorsque le substrat 11 est en matériau CMC. La couche conductrice de l'électricité 14 peut comprendre un métal, comme l'or, l'argent, ou le platine, ou du carbone. Lorsque l'épaisseur du deuxième revêtement 15 à former est suffisamment faible, par exemple inférieure à 50 pm, il a été observé que cette couche conductrice de l'électricité 14 n'est pas nécessaire pour former le deuxième revêtement 15 par électrophorèse. De même, lorsque le deuxième revêtement 15 est formé par un procédé de dépôt par voie humide autre que l'électrophorèse, par exemple par trempage-retrait, cette couche conductrice de l'électricité 14 n'est pas nécessaire. Lorsque la couche conductrice de l'électricité 14 n'est pas présente, le deuxième revêtement 15 est directement au contact du premier revêtement 13.
Le deuxième revêtement 15 comprend un matériau de protection contre les aluminosilicates de calcium et de magnésium CMAS. Par « matériau de protection contre les CMAS », on entend tous les matériaux qui permettent d'empêcher ou de réduire l'infiltration de CMAS fondus dans le premier revêtement 13 formant barrière thermique, et de limiter les dégâts qu'ils occasionnent sur le premier revêtement 13. Le deuxième revêtement 15 comprend une première zone 15a qui s'étend sur une partie de l'épaisseur du deuxième revêtement 15, et une deuxième zone 15b ici au contact de la première zone 15a et située sur la première zone 15a. La délimitation entre les zones est schématisée sur les figures par une ligne en pointillés dans le deuxième revêtement 15. La première zone 15a est ici située entre le substrat 11 et la deuxième zone 15b. La première zone 15a est située du côté du substrat 11 et la deuxième zone 15b est située du côté de la surface externe S du deuxième revêtement 15. La première zone 15a présente un premier taux de porosité non nul et strictement supérieur au deuxième taux de porosité non nul de la deuxième zone 15b. Le deuxième revêtement 15 présente ainsi, entre la première zone 15a et la deuxième zone 15b, un gradient de taux de porosité. Dans cet exemple, la réunion des première et deuxième zones 15a et 15b constitue le deuxième revêtement 15, et la deuxième zone 15b est une couche externe du deuxième revêtement.
La figure 2 montre une pièce 110 de turbomachine selon un autre mode de réalisation de l'invention.
De manière similaire au mode de réalisation décrit précédemment, la pièce 110 comprend un substrat 111 recouvert, dans cet ordre, par : une sous-couche d'accrochage 112, un premier revêtement céramique 113 formant barrière thermique, une couche conductrice de l'électricité 114 (optionnelle) et un deuxième revêtement poreux en matériau céramique 115. Dans cet exemple, chacune des couches précitées recouvrant le substrat 111 est au directement au contact des couches adjacentes ; le substrat 111 est quant à lui directement au contact de la sous-couche d'accrochage 112.
Dans cet exemple, le deuxième revêtement comprend toujours une première 115a et une deuxième 115b zones qui s'étendent chacune sur une partie de l'épaisseur du deuxième revêtement 115. Comme précédemment, la première zone 115a présente un premier taux de porosité strictement supérieur au deuxième taux de porosité de la deuxième zone 115b. Le deuxième revêtement 115 comprend en outre une troisième zone 115c présentant un troisième taux de porosité, située sur la deuxième zone 115b et directement au contact de la deuxième zone 115b ; et une quatrième zone 115d présentant un quatrième taux de porosité strictement inférieur au troisième taux de porosité, située sur la troisième zone 115c et directement au contact de la troisième zone 115c. On notera que, dans l'exemple illustré, le troisième taux de porosité de la troisième couche 115c peut être strictement supérieur au deuxième taux de porosité de la deuxième couche 115b, afin de favoriser encore la délamination entre les deuxième et troisième zones 115b et 115c. Ainsi, le deuxième revêtement 115 est constitué, dans cet exemple, de quatre zones consécutives 115a, 115b, 115c et 115d, qui sont empilées les unes sur les autres.
Un procédé de fabrication d'une pièce revêtue 10 selon l'invention va maintenant être décrit en lien avec l'ordinogramme de la figure 3, et les figures 4A à 4D.
Une étape préalable, connue en soi, consiste tout d'abord à déposer sur le substrat 11 la sous-couche d'accrochage 12, par exemple par projection plasma. On peut ensuite déposer (étape El) sur la sous-couche d'accrochage 12 le premier revêtement 13 de barrière thermique, par exemple par dépôt physique en phase vapeur sous faisceau d'électrons (EB-PVD). On peut ensuite, dans une étape optionnelle, déposer une couche conductrice de l'électricité 14, pour faciliter le dépôt du deuxième revêtement 15 lorsque ce dernier est déposé par électrophorèse. Ces procédés sont connus en soi et ne seront pas décrits plus en détails. Après ces étapes, on obtient la pièce 10 illustrée sur la figure 4A.
Puis, dans une étape E2, on dépose par voie humide un revêtement précurseur 15' du deuxième revêtement 15 sur le premier revêtement 13. Un agent porogène 16 est notamment présent dans le revêtement précurseur 15'. L'étape E2 peut par exemple être réalisée par électrophorèse, ou par une technique de trempage-retrait (ou « dip coati ng »).
Plus précisément, l'étape E2 peut comprendre une première sous-étape durant laquelle on dépose par voie humide une première zone 15'a destinée à former la première zone 15a du deuxième revêtement 15. Lorsque l'on dépose cette première zone 15'a, on peut utiliser un premier bain dans lequel sont dispersées des particules de poudre d'un matériau de protection contre les CMAS, et un agent porogène 16. L'agent porogène peut par exemple être composé de particules 16 de carbone. Les teneurs massiques en matériau de protection contre les CMAS et en agent porogène 16 dans le premier bain seront adaptées en fonction du premier taux de porosité souhaité pour la première zone 15a du deuxième revêtement 15. Après dépôt de la première zone 15'a du revêtement précurseur 15', on obtient la pièce 10 illustrée sur la figure 4B. L'étape E2 peut ensuite comprendre une deuxième sous-étape durant laquelle on dépose par voie humide une deuxième zone 15'b du revêtement précurseur 15' destinée à former la deuxième zone 15b du deuxième revêtement 15. Comme précédemment, la composition du deuxième bain utilisé peut être adaptée en fonction du taux de porosité souhaité pour la deuxième zone 15b. Par exemple, la teneur massique en agent porogène 16 dans le deuxième bain sera strictement inférieure à la teneur massique en agent porogène 16 dans le premier bain. On notera qu'il est tout à fait possible d'utiliser des méthodes de dépôt par voie humide différentes pour les zones 15'a et 15'b. Par exemple, la zone 15'a peut être déposée par électrophorèse, et la zone 15'b peut être déposée par trempage-retrait, ou inversement. Après cette étape, on obtient la pièce 10 illustrée sur la figure 4C. Une fois le revêtement précurseur 15' déposé, la première zone 15'a de ce revêtement 15' présente un taux volumique en agent porogène 16 strictement supérieur au taux volumique en agent porogène 16 dans la deuxième zone 15'b.
Enfin, dans une étape E3, le revêtement précurseur 15' est soumis à un traitement thermique pour éliminer l'agent porogène 16. Après cette étape on obtient la pièce 10 de la figure 4D, munie d'un deuxième revêtement 15 qui comprend des porosités 17 libérées par l'élimination de l'agent porogène 16. Le taux de porosité volumique de la deuxième zone 15b est strictement inférieur au taux de porosité volumique de la première zone 15a. Par exemple, pour éliminer le carbone utilisé comme agent porogène, on peut réaliser un traitement thermique à une température supérieure ou égale à 600°C, par exemple pendant au moins une heure. Une température comprise entre 1100°C et 1250°C peut être imposée durant le traitement thermique..
Dans les premier et deuxième bains utilisés, la teneur massique dans le bain du matériau de protection contre les CMAS peut être comprise entre 1% et 70% et la teneur massique en agent porogène dans le bain peut être comprise entre 1% et 30%.
Dans le procédé décrit ci-dessus, il est également possible de s'affranchir de l'utilisation d'un agent porogène 16, et d'utiliser en variante une poudre d'un matériau de protection contre les CMAS qui présente déjà une morphologie permettant de disposer d'un taux de porosité contrôlé dans chaque zone 15a, 15b du deuxième revêtement 15. Par exemple, une poudre présentant une telle morphologie peut être sous la forme d'un agglomérat poreux. Il est également possible d'utiliser un agent porogène 16 en combinaison avec une poudre d'un matériau de protection contre les CM AS ayant une morphologie particulière pour contrôler le taux de porosité.
Exemple
Un procédé selon l'invention a été mis en œuvre sur une pièce de turbomachine en superalliage à base de nickel recouvert d'une sous-couche d'accrochage du type NiCrAlY sur laquelle a été déposée par EB-PVD une couche de barrière thermique comprenant de la zircone partiellement stabilisée à l'yttrine (8YSZ).
On a préparé tout d'abord un premier bain comprenant : - un mélange équimolaire de 1-propanol et de 2-propanol, - 10 g/L d'une poudre de zircone stabilisée à l'yttrine commercialisée par la société Tosoh sous la référence TZ8Y, et -1 g/L d'une poudre de carbone en tant qu'agent porogène.
Puis, on a préparé un deuxième bain comprenant : - un mélange équimolaire de 1-propanol et de 2-propanol, - 10 g/L d'une poudre de zircone stabilisée à l'yttrine commercialisée par la société Tosoh sous la référence TZ8Y, et - 0,1 g/L d'une poudre de carbone en tant qu'agent porogène.
La pièce à revêtir est ensuite connectée à un générateur (cathode) pour déposer le deuxième revêtement de protection contre les CMAS par électrophorèse, et plongée dans le premier bain où est également présente une contre électrode (anode). Une tension comprise entre 50 V à 100 V est appliquée pendant 20 minutes, puis la pièce est séchée à l'étuve à 150°C pendant 5 minutes. Cette étape est répétée une fois supplémentaire.
Ensuite, la pièce est plongée dans le deuxième bain et soumise à une tension comprise entre 100 V à 150 V pendant 20 minutes, puis la pièce est séchée à l'étuve à 150°C pendant 5 minutes. Cette étape est répétée une fois supplémentaire.
Enfin, la pièce est traitée thermiquement dans un four à air, tout d'abord à 600°C pendant 1 heure, puis à 1100°C pendant 2 heures. La température est augmentée ou diminuée par des rampes à 50°C/heure.
On obtient ainsi une pièce revêtue ayant un deuxième revêtement présentant une épaisseur de l'ordre de 50 pm assurant à la pièce revêtue une protection efficace contre les CMAS et une plus grande durée de vie dans les conditions environnementales de la turbomachine.
Dans le présent exposé, les termes « compris entre ... et ...» doivent être entendus comme incluant les bornes.

Claims (12)

  1. REVENDICATIONS
    1. Pièce de turbomachine (10 ; 110) revêtue comprenant : - un substrat (11 ; 111) ; - un premier revêtement de barrière thermique (13 ; 113) en matériau céramique recouvrant ledit substrat ; et - un deuxième revêtement poreux (15 ; 115) en matériau céramique recouvrant le premier revêtement et comprenant un matériau de protection contre les aluminosilicates de calcium et de magnésium, le deuxième revêtement présentant une première zone (15a ; 115a) s'étendant sur une partie de son épaisseur et présentant un premier taux de porosité, et une deuxième zone (15b ; 115b) s'étendant sur une partie de son épaisseur et recouvrant la première zone, la deuxième zone présentant un deuxième taux de porosité strictement inférieur au premier taux de porosité.
  2. 2. Pièce selon la revendication 1, comprenant en outre entre le substrat et le premier revêtement une sous-couche d'accrochage (12 ; 112).
  3. 3. Pièce selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans laquelle le premier revêtement (13 ; 113) comprend de la zircone stabilisée par un oxyde de terre rare.
  4. 4. Pièce selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle le matériau de protection contre les aluminosilicates de calcium et de magnésium est choisi parmi les suivants : les oxydes de terre rare, la zircone stabilisée par un oxyde de terre rare, les structures pyrochlores, les zirconates de terres rares, et leurs mélanges.
  5. 5. Pièce selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle le deuxième taux de porosité est inférieur ou égal à la moitié du premier taux de porosité.
  6. 6. Pièce selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle le premier taux de porosité est compris entre 20% et 70%.
  7. 7. Pièce selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle le deuxième taux de porosité est compris entre 5% et 40%.
  8. 8. Pièce selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle le deuxième revêtement (115) comprend en outre une troisième zone (115c) s'étendant sur une partie de son épaisseur et recouvrant la deuxième zone (115b), la troisième zone présentant un troisième taux de porosité, et une quatrième zone (115d) s'étendant sur une partie de son épaisseur et recouvrant la troisième zone (115c), la quatrième zone présentant un quatrième taux de porosité strictement inférieur au troisième taux de porosité.
  9. 9. Pièce selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, le premier revêtement présentant un taux de porosité non nul strictement supérieur au premier taux de porosité.
  10. 10. Procédé de fabrication d'une pièce selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, comprenant au moins une étape de formation du deuxième revêtement (15 ; 115) par voie humide sur le premier revêtement (13 ; 113).
  11. 11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel le deuxième revêtement est en tout ou partie formé par électrophorèse.
  12. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 et 11, dans lequel l'étape de formation du deuxième revêtement comprend : - le dépôt par voie humide (étape E2) d'un revêtement précurseur (15') du deuxième revêtement (15) dans lequel au moins un agent porogène (16) est présent, le revêtement précurseur comprenant une première zone (15'a) destinée à former la première zone (15a) du deuxième revêtement présentant une première teneur volumique en agent porogène, et une deuxième zone (15'b) destinée à former la deuxième zone (15b) du deuxième revêtement recouvrant la première zone (15'a), la deuxième zone (15'b) du revêtement précurseur présentant une deuxième teneur volumique en agent porogène strictement inférieure à la première teneur volumique ; et - l'élimination de l'agent porogène (16) par traitement thermique du revêtement précurseur déposé (étape E3).
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3453779B1 (fr) 2017-09-08 2022-04-20 Raytheon Technologies Corporation Revêtement de barrière thermique résistant cmas multicouches
CN114502773A (zh) * 2019-09-06 2022-05-13 赛峰集团 包含基于max相的保护涂层的涂层部件

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120159952A1 (en) * 2010-12-28 2012-06-28 Hideyuki Arikawa Gas turbine component having thermal barrier coating and a gas turbine using the component
US20130130052A1 (en) * 2010-03-12 2013-05-23 Snecma Method for manufacturing a thermal-barrier protection and multilayer coating suitable for forming a thermal barrier

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130130052A1 (en) * 2010-03-12 2013-05-23 Snecma Method for manufacturing a thermal-barrier protection and multilayer coating suitable for forming a thermal barrier
US20120159952A1 (en) * 2010-12-28 2012-06-28 Hideyuki Arikawa Gas turbine component having thermal barrier coating and a gas turbine using the component

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
AMARENDRA K. RAI ET AL: "CMAS-Resistant Thermal Barrier Coatings (TBC)", INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED CERAMIC TECHNOLOGY, vol. 7, no. 5, 1 September 2010 (2010-09-01), pages 662 - 674, XP055023168, ISSN: 1546-542X, DOI: 10.1111/j.1744-7402.2009.02373.x *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3453779B1 (fr) 2017-09-08 2022-04-20 Raytheon Technologies Corporation Revêtement de barrière thermique résistant cmas multicouches
CN114502773A (zh) * 2019-09-06 2022-05-13 赛峰集团 包含基于max相的保护涂层的涂层部件
CN114502773B (zh) * 2019-09-06 2023-11-17 赛峰集团 包含基于max相的保护涂层的涂层部件

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