FR3070426B1 - ROTARY AIR INPUT PIECE FOR MULTI-FUNCTIONAL COATING TURBOMACHINE - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une pièce (20) d'entrée d'air rotative pour turbomachine comportant un corps en un alliage de titane et un revêtement en un matériau à base de nitrure. Le revêtement est une couche à épaisseur variable recouvrant la totalité de la surface du corps et dans lequel, la surface du corps pouvant être divisée fictivement en au moins une première zone (30), destinée à être soumise à un contact avec un autre élément de la turbomachine, au moins une deuxième zone (31a ; 31b), destinée à être soumise à une érosion, et au moins une troisième zone (32), destinée à être soumise à une oxydation, l'épaisseur de la première zone (30) est supérieure à l'épaisseur de la deuxième zone (31a ; 31b), et l'épaisseur de la deuxième zone (31a ; 31b) est supérieure à l'épaisseur de la troisième zone (32).The invention relates to a rotating air inlet piece (20) for a turbomachine comprising a body made of a titanium alloy and a coating made of a nitride-based material. The coating is a variable thickness layer covering the entire body surface and wherein the body surface can be fictitiously divided into at least a first zone (30) for contact with another element of the body. the turbomachine, at least a second zone (31a; 31b) destined to be eroded, and at least one third zone (32) intended to be subjected to oxidation, the thickness of the first zone (30) is greater than the thickness of the second zone (31a; 31b), and the thickness of the second zone (31a; 31b) is greater than the thickness of the third zone (32).
Description
PIÈCE D'ENTRÉE D'AIR ROTATIVE POUR TURBOMACHINE À REVÊTEMENT MULTIFONCTIONNELROTARY AIR INPUT PIECE FOR TURBOMACHINE WITH MULTIFUNCTIONAL COATING
DESCRIPTIONDESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUETECHNICAL AREA
La présente invention se rapporte à la fabrication de pièces d'entrée d'air rotatives comportant un revêtement multifonctionnel.The present invention relates to the manufacture of rotary air inlet parts having a multifunctional coating.
Elle s'applique préférentiellement aux rotors de compresseurs ou de turbines pour turbomachine.It applies preferentially to the rotors of compressors or turbomachine turbines.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURESTATE OF THE PRIOR ART
Les pièces d'entrée d'air rotatives, également appelées rotors, de type roue et rouet pour turbomachine, sont généralement réalisées en un alliage de titane, le plus souvent en TA6V. Le TA6V est l'alliage alpha-bêta le plus répandu dans l'industrie du titane et a pour formule chimique TiôAhV.The rotary air inlet parts, also called rotors, wheel type and turbomachine wheel, are generally made of a titanium alloy, usually TA6V. TA6V is the most widely used alpha-beta alloy in the titanium industry and has the TiOAhV chemical formula.
En fonctionnement, ces pièces subissent des sollicitations thermiques, des sollicitations tribologiques et des sollicitations environnementales.In operation, these parts undergo thermal stresses, tribological solicitation and environmental demands.
En ce qui concerne les sollicitations thermiques, les températures de fonctionnement des pièces peuvent atteindre 500°C. Or, à 500°C, le TA6V s'oxyde significativement et des modifications de la structure du matériau se produisent. En particulier, il y a formation d'une couche superficielle oxydée riche en alpha case. Cependant, cette couche superficielle est fragile et modifie les caractéristiques mécaniques de la pièce, notamment sa ductilité et ses propriétés de fatigue dans le domaine HCF (pour « High Cycle Fatigue » en anglais) et de fatigue dans le domaine LCF (pour « Low Cycle Fatigue » en anglais). A ce jour, il n'existe pas de solutions connues à ce problème, ce qui limite le domaine d'utilisation des alliages base titane.With regard to the thermal stresses, the operating temperatures of the parts can reach 500 ° C. However, at 500 ° C, the TA6V oxidizes significantly and changes in the structure of the material occur. In particular, there is formation of an oxidized surface layer rich in alpha case. However, this surface layer is fragile and modifies the mechanical characteristics of the part, in particular its ductility and its fatigue properties in the HCF (for "High Cycle Fatigue" in English) and fatigue in the LCF field (for "Low Cycle" Fatigue "in English). To date, there are no known solutions to this problem, which limits the field of use of titanium base alloys.
En ce qui concerne les sollicitations tribologiques, on rencontre ce type de sollicitations sur la majorité des turbomachines en fonctionnement. En effet, il se produit un contact (également appelé touche) entre le rotor et le stator d'une turbine ou d'un compresseur. Comme le fonctionnement d'une turbine ou d'un compresseur dépend directement de son stator et de son rotor, des baisses de performances apparaissent dans le cas d'une usure divergente du sommet du rotor. Pour résoudre ce problème, on applique un revêtement abradable sur le stator, généralement choisi parmi des revêtements base aluminium ou des revêtements base nickel poreux. Cependant, ces revêtements sont soit limités en température (revêtements base aluminium limités autour de 450°C), soit limités en tenue à l'érosion et compatibilité titane (revêtement base nickel poreux)As regards the tribological solicitations, this type of solicitations is encountered on the majority of turbomachines in operation. Indeed, there is a contact (also called key) between the rotor and the stator of a turbine or a compressor. Since the operation of a turbine or a compressor depends directly on its stator and its rotor, performance decreases appear in the case of divergent wear of the top of the rotor. To solve this problem, an abradable coating is applied to the stator, generally chosen from aluminum base coatings or porous nickel base coatings. However, these coatings are either limited in temperature (limited aluminum base coatings around 450 ° C.), or limited in erosion resistance and titanium compatibility (porous nickel base coating).
En ce qui concerne les sollicitations environnementales, un moteur peut évoluer dans des environnements très différents (en particulier les moteurs d'hélicoptères). Le moteur va donc être soumis à certains modes de dégradation, dont l'érosion et la corrosion. En particulier, les particules solides ingérées par le moteur viennent détériorer et donc réduire l'efficacité du moteur.With regard to environmental demands, an engine can evolve in very different environments (especially helicopter engines). The engine will therefore be subject to certain types of degradation, including erosion and corrosion. In particular, the solid particles ingested by the engine deteriorate and therefore reduce the efficiency of the engine.
On observe par exemple un enlèvement de matière par érosion rasante sur un bord de fuite d'un rouet ou encore un recul et un amincissement provoqués par des impacts rasant et à 90° sur un bord d'attaque d'une pale de roue axiale.For example, a removal of material by grazing erosion on a trailing edge of a wheel or a recoil and a thinning caused by grazing and 90 ° impacts on a leading edge of an axial wheel blade.
Pour résoudre ce problème d'érosion, il est possible de mettre en place des solutions externes au moteur qui permettent de limiter l'ingestion de particules (notamment de sable) par le moteur.To solve this problem of erosion, it is possible to set up external solutions to the engine that limit the ingestion of particles (including sand) by the engine.
On peut par exemple utiliser un filtre à sable. Les utilisateurs les plus exposés au phénomène d'érosion ont la possibilité d'équiper leur moteur d'un filtre à sable au niveau de l'entrée d'air. Comme son nom l'indique, ce système filtre l'air entrant dans le moteur afin d'éviter une ingestion trop importante de particules érosives. Ce système est toutefois très onéreux et provoque de nettes baisses de performances du moteur. Cette solution a donc des limites et n'est pas généralisable sur tous les moteurs.For example, a sand filter can be used. Users most exposed to the phenomenon of erosion have the possibility of equipping their motor with a sand filter at the level of the air intake. As its name suggests, this system filters the air entering the engine to avoid excessive ingestion of erosive particles. This system is however very expensive and causes sharp declines in engine performance. This solution has limitations and is not generalizable on all engines.
Dans le cas d'un hélicoptère, on peut également utiliser un tapis de sol, placé sur la zone de décollage/atterrissage, ce qui évite que l'hélicoptère ne brasse le sable environnant durant les phases de décollage et d'atterrissage.In the case of a helicopter, it is also possible to use a floor mat, placed on the take-off / landing zone, which prevents the helicopter from beating the surrounding sand during the take-off and landing phases.
Cette solution permet de limiter l'impact du phénomène d'érosion ponctuellement, mais ne peut pas être considérée comme une solution efficace à long terme.This solution makes it possible to limit the impact of the erosion phenomenon from time to time, but can not be considered as an effective solution in the long term.
On peut également mettre en place des solutions internes au moteur sous la forme de revêtements de protection appliqués sur les pièces.It is also possible to implement solutions internal to the engine in the form of protective coatings applied to the parts.
Ces revêtements anti-érosion sont des revêtements durs réalisés par dépôt en phase vapeur, généralement à base de nitrure de type Ti AIN, AlCrN, TiN, etc. Ces revêtements à base de nitrure sont connus pour leurs performances anti-érosion sur des pièces rotatives de type roue axiale monobloc ou pales rapportées. A titre d'exemples, le document [1] décrit un revêtement anti-érosion à base de nitrure sur une pale de compresseur d'une turbine à gaz et le document [2] décrit un revêtement anti-érosion à base de nitrure appliqué au sommet d'une aube.These anti-erosion coatings are hard coatings produced by vapor deposition, generally based on Ti nitride AIN, AlCrN, TiN, etc. These nitride-based coatings are known for their anti-erosion performance on rotating parts of the monobloc axial wheel type or reported blades. By way of example, the document [1] describes a nitride-based anti-erosion coating on a compressor blade of a gas turbine and the document [2] describes a nitride-based anti-erosion coating applied to the top of a dawn.
Au final, aucun des enseignements de l'art antérieur ne propose une solution permettant à la fois de protéger la pièce rotative des sollicitations thermiques, des sollicitations tribologiques et des sollicitations environnementales.Finally, none of the teachings of the prior art proposes a solution for both protecting the rotating part from thermal stresses, tribological solicitation and environmental stresses.
Il existe donc un besoin d'optimisation de la protection d'une telle pièce.There is therefore a need to optimize the protection of such a room.
EXPOSÉ DE L'INVENTIONSTATEMENT OF THE INVENTION
Pour répondre à ce besoin, l'invention a pour objet une pièce d'entrée d'air rotative pour turbomachine comportant un corps en un alliage de titane et un revêtement en un matériau à base de nitrure, caractérisée en ce que le revêtement est une couche à épaisseur variable recouvrant la totalité de la surface du corps et dans lequel, la surface du corps pouvant être divisée fictivement en au moins une première zone, destinée à être soumise à un contact avec un autre élément de la turbomachine, au moins une deuxième zone, destinée à être soumise à une érosion, et au moins une troisième zone, destinée à être soumise à une oxydation, l'épaisseur de la première zone est supérieure à l'épaisseur de la deuxième zone, et l'épaisseur de la deuxième zone est supérieure à l'épaisseur de la troisième zone.To meet this need, the subject of the invention is a rotating air inlet part for a turbomachine comprising a body made of a titanium alloy and a coating made of a nitride-based material, characterized in that the coating is a layer of variable thickness covering the entire surface of the body and in which, the body surface can be fictitiously divided into at least a first zone, intended to be subjected to contact with another element of the turbomachine, at least a second zone, intended to be subjected to erosion, and at least one third zone, intended to be subjected to oxidation, the thickness of the first zone is greater than the thickness of the second zone, and the thickness of the second zone zone is greater than the thickness of the third zone.
Le revêtement selon l'invention est un revêtement à épaisseur variable qui recouvre la totalité de la surface du corps de la pièce, l'épaisseur étant variable en fonction de la zone du corps qui est recouverte.The coating according to the invention is a variable thickness coating which covers the entire surface of the body of the part, the thickness being variable depending on the area of the body which is covered.
Certains aspects préférés mais non limitatifs de la pièce selon l'invention sont les suivants : - le matériau du revêtement est choisi parmi TiAIN, AlCrN, TiN, TiZrN etSome preferred but non-limiting aspects of the part according to the invention are the following: the material of the coating is chosen from TiAlN, AlCrN, TiN, TiZrN and
TiCrN ; -l'épaisseur de la première zone est comprise dans une gamme allant de 20 à 35 pm, l'épaisseur de la deuxième zone est comprise dans une gamme allant de 10 à 25 pm et l'épaisseur de la troisième zone est comprise dans une gamme allant de 5 à 20 pm ; -le corps comprend au moins une pale ayant un bord d'attaque, un bord de fuite et un sommet, chaque pale comportant au moins une première zone et au moins une deuxième zone, chaque première zone englobant le sommet de ladite pale et chaque deuxième zone englobant au moins l'un parmi le bord d'attaque et le bord de fuite de ladite pale ; - le corps est choisi parmi un rotor de compresseur centrifuge (également appelé rouet), un rotor de compresseur axial et un rotor de turbine. L'invention a également pour objet un procédé de revêtement d'une telle pièce d'entrée d'air rotative pour turbomachine. Le procédé comprend : - la fourniture du corps ; - l'application du revêtement à épaisseur variable sur toute la surface du corps, par une technique de dépôt en phase vapeur choisie parmi un dépôt CVD (« Chemical Vapor Déposition » en anglais) ou un dépôt PVD (« Physical Vapor Déposition » en anglais). A titre d'exemples, l'application du revêtement en un matériau à base de nitrure réalisée par PVD peut être réalisée par dépôt physique en phase vapeur par faisceau d'électrons (EBPVD pour « Electron Beam Physical Vapor Déposition » en anglais) ou bien par dépôt physique en phase vapeur par arc électrique (Arc-PVD) sur une cible contenant les éléments métalliques (Ti, Al, Cr,...) dans un environnement azoté (N2).TiCrN; the thickness of the first zone is in a range from 20 to 35 μm, the thickness of the second zone is in a range from 10 to 25 μm and the thickness of the third zone is included in a range of range from 5 to 20 μm; the body comprises at least one blade having a leading edge, a trailing edge and a top, each blade comprising at least a first zone and at least a second zone, each first zone encompassing the vertex of said blade and each second zone encompassing at least one of the leading edge and the trailing edge of said blade; the body is chosen from a centrifugal compressor rotor (also called a spinning wheel), an axial compressor rotor and a turbine rotor. The invention also relates to a method for coating such a rotary air inlet part for a turbomachine. The method comprises: - supplying the body; the application of the variable thickness coating over the entire surface of the body, by a vapor deposition technique chosen from a CVD ("Chemical Vapor Deposition") deposit or a PVD ("Physical Vapor Deposition") deposit; ). As examples, the application of the coating in a nitride material made by PVD can be carried out by physical vapor deposition by electron beam (EBPVD for "Electron Beam Physical Vapor Deposition" in English) or by physical vapor deposition by electric arc (Arc-PVD) on a target containing the metallic elements (Ti, Al, Cr, ...) in a nitrogenous environment (N2).
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres aspects, buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente une vue en coupe longitudinale schématique d'une turbomachine d'aéronef ; - la figure 2 représente une vue en perspective d'une roue axiale ; - la figure 3 représente une vue en perspective d'un rouet centrifuge ; - la figure 4 représente une vue en perspective d'une aube 1 d'une turbine à gaz, en particulier d'un turbomoteur ; - les figures 5a et 5b représentent une vue en perspective de l'aube 1 de la figure 4, avec une représentation des zones du revêtement à épaisseur variable selon deux exemples de réalisation selon l'invention ; - la figure 6 représente des profils de dureté vickers mesurés de l'interface entre le revêtement et le corps en direction de l'intérieur du corps pour trois éprouvettes différentes, afin démontrer l'intérêt d'un revêtement en TiAIN ou AlCrN sur un corps en alliage de titane ; - la figure 7 représente un graphique montrant la tenue à l'érosion d'un revêtement en TiAIN sur un corps en alliage de titane ; - la figure 8 représente un graphique montrant la tenue à l'érosion d'un revêtement en AlCrN sur un corps en alliage de titane.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Other aspects, objects, advantages and characteristics of the invention will appear better on reading the following detailed description of preferred embodiments thereof, given by way of non-limiting example, and made in reference to the accompanying drawings in which: - Figure 1 shows a schematic longitudinal sectional view of an aircraft turbine engine; - Figure 2 shows a perspective view of an axial wheel; - Figure 3 shows a perspective view of a centrifugal wheel; - Figure 4 shows a perspective view of a blade 1 of a gas turbine, in particular a turbine engine; - Figures 5a and 5b show a perspective view of the blade 1 of Figure 4, with a representation of the areas of the variable thickness coating according to two embodiments of the invention; FIG. 6 shows measured vickers hardness profiles of the interface between the coating and the body towards the inside of the body for three different test pieces, in order to demonstrate the interest of a TiAlN or AlCrN coating on a body. titanium alloy; FIG. 7 represents a graph showing the erosion resistance of a TiAlN coating on a titanium alloy body; FIG. 8 represents a graph showing the erosion resistance of an AlCrN coating on a titanium alloy body.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERSDETAILED PRESENTATION OF PARTICULAR EMBODIMENTS
Afin de pallier aux sollicitations thermiques, tribologiques et environnementales subies par une pièce rotative, il est proposé d'appliquer un revêtement à base de nitrure connu pour ses propriétés de protection contre l'érosion, par exemple un revêtement en TiAIN, AlCrN, TiN, TiZrN ou TiCrN, sur l'ensemble de la surface du corps de la pièce par un dépôt en phase vapeur. Ainsi, sur un rotor, par exemple une roue axiale ou un rouet d'un compresseur centrifuge, les zones dans et hors de la veine d'air sont recouvertes.In order to overcome the thermal, tribological and environmental demands on a rotating part, it is proposed to apply a nitride-based coating known for its erosion protection properties, for example a coating of TiAlN, AlCrN, TiN, TiZrN or TiCrN, over the entire surface of the body of the part by a vapor deposition. Thus, on a rotor, for example an axial wheel or a spinning wheel of a centrifugal compressor, the zones in and out of the air stream are covered.
Le revêtement selon l'invention a la particularité d'avoir une épaisseur variable, de manière à pouvoir former une barrière de diffusion continue empêchant tout échange du corps avec « l'extérieur », protégeant le corps de la pièce contre l'oxydation et la corrosion et contre des agressions de type érosion. L'épaisseur sera minimale dans la ou les zones destinées à ne subir qu'une oxydation ; elle sera un peu plus importante dans la ou les zones destinées à subir en outre une éventuelle érosion ; elle sera encore un peu plus importante dans la ou les zones destinées à subir, outre une oxydation et une éventuelle érosion, une touche avec un organe. En ayant un revêtement à épaisseur variable, on protège le corps de la pièce des sollicitations thermiques, tribologiques et environnementales, tout en minimisant le poids du revêtement. On obtient ainsi un revêtement ayant des fonctions anti-érosion, anti-abrasion et anti-oxydation/corrosion améliorées sur des pièces rotatives à entrée d'air à base de titane.The coating according to the invention has the particularity of having a variable thickness, so as to be able to form a continuous diffusion barrier preventing any exchange of the body with "the outside", protecting the body of the part against oxidation and corrosion and against erosion type aggression. The thickness will be minimal in the zone or zones intended to undergo only an oxidation; it will be a little more important in the area or areas intended to undergo further possible erosion; it will be even more important in the area or areas to undergo, in addition to oxidation and possible erosion, a touch with an organ. By having a variable thickness coating, the body of the room is protected from thermal, tribological and environmental stress, while minimizing the weight of the coating. A coating having improved anti-erosion, anti-abrasion and anti-oxidation / corrosion functions on titanium-based air inlet rotary parts is thus obtained.
En référence tout d'abord à la figure 1, il est représenté une turbomachine 1 d'aéronef, du type turbomoteur à double flux. Ce turbomoteur 1 est équipé de roues axiales 2 et de rouets centrifuges 3.Referring firstly to Figure 1, there is shown an aircraft turbine engine 1, of the turbofan type turbofan. This turbine engine 1 is equipped with axial wheels 2 and centrifugal wheels 3.
En référence à la figure 2, il est représenté une roue axiale 2, munie d'un disque 4 et de lames 6; en référence à la figure 3, il est représenté un rouet centrifuge 3, muni de lames 8.Referring to Figure 2, there is shown an axial wheel 2, provided with a disc 4 and blades 6; with reference to FIG. 3, there is shown a centrifugal wheel 3 provided with blades 8.
En référence à la figure 4, il est représenté un exemple d'une pièce 20 recouverte d'un revêtement à épaisseur variable selon l'invention. En l'occurrence, la pièce 20 est une aube de turbine. Elle comporte une pale 21 et un pied 22. La pale 21 est formée avec un extrados 23 (surface extérieure convexe) et un intrados 24 (surface intérieure concave) ; l'extrados 23 et l'intrados 24 sont reliés à leurs extrémités amont par un bord d'attaque 25 et à leurs extrémités aval par un bord de fuite 26. La pale comporte également un sommet 27.Referring to Figure 4, there is shown an example of a part 20 covered with a variable thickness coating according to the invention. In this case, the part 20 is a turbine blade. It comprises a blade 21 and a foot 22. The blade 21 is formed with an extrados 23 (convex outer surface) and a lower surface 24 (concave inner surface); the extrados 23 and the intrados 24 are connected at their upstream ends by a leading edge 25 and at their downstream ends by a trailing edge 26. The blade also has a vertex 27.
Dans la figure 5a, la surface de l'aube est divisée fictivement en une première zone 30, destinée à être soumise à une touche, deux deuxièmes zones 31a et 31b, destinées à être soumises à une érosion, et une troisième zone 32, destinée à être soumise à une oxydation. La première zone 30 englobe le sommet 27 de la pale ; la deuxième zone 31a englobe le bord d'attaque 25 et la deuxième zone 31b englobe le bord de fuite 26 ; la troisième zone 32 inclut tout le reste de la surface non comprise dans les première et deuxièmes zones et englobe donc notamment le pied 22 et une partie de l'extrados 23 et de l'intrados 24.In FIG. 5a, the surface of the blade is divided fictitiously into a first zone 30, intended to be subjected to a touch, two second zones 31a and 31b, intended to be subjected to erosion, and a third zone 32, intended to be subjected to oxidation. The first zone 30 includes the vertex 27 of the blade; the second zone 31a includes the leading edge 25 and the second zone 31b includes the trailing edge 26; the third zone 32 includes all the rest of the surface not included in the first and second zones and thus includes in particular the foot 22 and a portion of the extrados 23 and the intrados 24.
Le revêtement à épaisseur variable aura une épaisseur plus importante dans la première zone 30, une épaisseur médiane dans les deux deuxièmes zones 31a et 31b ou dans la deuxième zone 31 et une épaisseur moindre dans la troisième zone 32. De préférence, l'épaisseur du revêtement dans la première zone 30 est comprise entre 20 et 35 pm, l'épaisseur du revêtement dans les deuxièmes zones 31a et 31b est comprise entre 10 et 25 pm et l'épaisseur du revêtement dans la troisième zone 32 est comprise entre 5 et 20 pm, les différentes épaisseurs étant choisies dans ces gammes de valeurs en veillant toutefois à ce que l'épaisseur du revêtement dans la au moins une première zone soit supérieure à l'épaisseur du revêtement dans la au moins une deuxième zone et à ce que l'épaisseur du revêtement dans la au moins une deuxième zone soit supérieure à l'épaisseur du revêtement dans la au moins une troisième zone.The variable thickness coating will have a greater thickness in the first zone 30, a median thickness in the second two zones 31a and 31b or in the second zone 31 and a smaller thickness in the third zone 32. Preferably, the thickness of the coating in the first zone 30 is between 20 and 35 μm, the thickness of the coating in the second zones 31 a and 31 b is between 10 and 25 μm and the thickness of the coating in the third zone 32 is between 5 and 20 μm. pm, the different thicknesses being chosen in these ranges of values, however, ensuring that the thickness of the coating in the at least one first zone is greater than the thickness of the coating in the at least one second zone and that the the thickness of the coating in the at least one second zone is greater than the thickness of the coating in the at least one third zone.
Dans la figure 5a, nous avons une première zone 30, deux deuxièmes zones 31a et 31b et une troisième zone 32, mais il peut bien entendu y avoir d'autres configurations, notamment deux ou plus de deux premières zones 30, une ou plus de deux deuxièmes zones 31 et deux ou plus de deux troisièmes zones 32. Par exemple, dans la figure 5b, à la différence de la figure 5a, il n'y a plus deux deuxièmes zones 31a et 31b, mais une seule deuxième zone 31, qui englobe le sommet 27.In FIG. 5a, we have a first zone 30, two second zones 31a and 31b and a third zone 32, but of course there may be other configurations, in particular two or more first two zones 30, one or more zones. two second zones 31 and two or more third zones 32. For example, in FIG. 5b, unlike FIG. 5a, there are no longer two second zones 31a and 31b, but only one second zone 31, which encompasses the summit 27.
Pour illustrer l'invention, nous allons à présent faire différents tests sur des pièces en TA6V, recouvertes ou non avec des revêtements TiAIN et AlCrN.To illustrate the invention, we will now make various tests on TA6V parts, covered or not with TiAIN and AlCrN coatings.
Pour pallier aux modifications de structure dues au fonctionnement en température (sollicitations thermiques), les revêtements type TiAIN ou AlCrN seront appliqués sur l'ensemble de la pièce, formant ainsi une barrière de diffusion, de préférence selon une épaisseur comprise entre 5 et 20 pm.To overcome the structural changes due to temperature operation (thermal stresses), TiAIN or AlCrN type coatings will be applied to the entire part, thus forming a diffusion barrier, preferably in a thickness of between 5 and 20 μm. .
Pour démontrer l'effet des revêtements TiAIN et AlCrN, un traitement thermique a été appliqué sur des échantillons et des mesures de dureté ont ensuite été réalisés.To demonstrate the effect of TiAlN and AlCrN coatings, heat treatment was applied to samples and hardness measurements were then performed.
Nous avons réalisé trois éprouvettes ayant un corps en alliage de titane TA6V de dimensions 100x50x5 mm. La première éprouvette est recouverte d'une couche de revêtement en TiAIN de 15 pm d'épaisseur; la deuxième éprouvette est recouverte d'une couche de revêtement en AlCrN de 15 pm d'épaisseur; la troisième éprouvette sert d'échantillon témoin.We made three test pieces with a TA6V titanium alloy body of dimensions 100x50x5 mm. The first specimen is covered with a 15 μm thick TiAlN coating layer; the second specimen is covered with a 15 μm thick AlCrN coating layer; the third test piece serves as a control sample.
Ces trois éprouvettes subissent un traitement thermique à 500°C sous air pendant 500 heures.These three test pieces undergo a heat treatment at 500 ° C. in air for 500 hours.
Des mesures de la microdureté sont réalisées sur une section transversale des éprouvettes par micro-indentation à l'aide d'un indenteur soumis à une charge de 0,05 kg pendant une durée de 10 s.Measurements of the microhardness are carried out on a cross-section of the test pieces by micro-indentation using an indenter subjected to a load of 0.05 kg for a duration of 10 s.
Les profils de dureté vickers obtenus en micro dureté Hvo,os et mesurés de l'interface revêtement/corps vers l'intérieur du corps pour chaque éprouvette sont présentés dans la figure 6.The vickers hardness profiles obtained in micro hardness Hvo, bones and measured from the coating / body interface to the inside of the body for each specimen are shown in FIG.
On constate que la première éprouvette (courbe 1), qui a un revêtement TiAIN, et la deuxième éprouvette (courbe 2), qui a un revêtement AlCrN, ont une dureté de 380 Hvo,os à l'interface, alors que la troisième éprouvette (courbe 3), qui correspond à l'échantillon témoin, a une dureté de 510 Hvo,os.It is found that the first specimen (curve 1), which has a TiAIN coating, and the second specimen (curve 2), which has an AlCrN coating, have a hardness of 380 Hvo, bone at the interface, while the third specimen (curve 3), which corresponds to the control sample, has a hardness of 510 Hvo, bones.
On constate également que la première éprouvette (courbe 1) a un profil de dureté inférieur à celui de la troisième éprouvette (courbe 3) jusqu'à une profondeur d'environ 28 pm à partir de l'interface ; la deuxième éprouvette (courbe 2) a un profil de dureté inférieur à celui de la troisième éprouvette jusqu'à une profondeur d'environ 33 pm.It is also noted that the first specimen (curve 1) has a lower hardness profile than the third specimen (curve 3) to a depth of about 28 microns from the interface; the second specimen (curve 2) has a lower hardness profile than the third specimen to a depth of about 33 microns.
Par conséquent, les revêtements de TiAIN et de AlCrN de 15 pm d'épaisseur limitent donc l'apparition d'alpha case dans le TA6V sur une profondeur d'environ 30 pm. Au final, cela permet de limiter l'interaction de l'oxydation et/ou de la corrosion sur les propriétés mécaniques (fatigue particulièrement) des alliages base titane.Therefore, 15 μm thick TiAlN and AlCrN coatings therefore limit alpha case appearance in TA6V to a depth of about 30 μm. In the end, this makes it possible to limit the interaction of oxidation and / or corrosion on the mechanical properties (particularly fatigue) of the titanium base alloys.
Pour pallier au phénomène de touche observé sur les pièces rotatives (sollicitations tribologiques), par exemple entre les sommets de pales des rotors et les stators, les revêtements type TiAIN ou AlCrN seront appliqués en priorité sur la ou les zones sujettes à la touche, par exemple le sommet des pales (méridienne externe), de préférence selon une épaisseur comprise entre 20 et 35 pm.To overcome the phenomenon of touch observed on rotating parts (tribological solicitation), for example between the rotor blade tips and the stators, type TiAIN or AlCrN coatings will be applied in priority to the area or areas subject to the key, by for example, the top of the blades (outer meridian), preferably in a thickness of between 20 and 35 μm.
Pour démontrer l'effet des revêtements base nitrure, des essais de touche ont été réalisés entre une pièce de stator en acier inoxydable (par exemple un logement de roue axiale ou un couvercle centrifuge) et des pâles de rotor en TA6V, recouvertes (échantillons 5 à 8) ou non (échantillons 1 à 4), d'une couche de TiAIN d'une épaisseur de 20 pm déposée par dépôt Arc-PVD, les pâles en TA6V ayant une épaisseur de 1 mm et étant mises en rotation à une vitesse tangentielle en sommet de pale de 410 m/s et une vitesse d'incursion de 5 pm/s ou de 50 pm/s.To demonstrate the effect of the nitride base coatings, key tests were performed between a stainless steel stator part (for example an axial wheel housing or a centrifugal cover) and coated TA6V rotor blades (samples 5). to 8) or not (samples 1 to 4), a 20 μm thick TiBN layer deposited by Arc-PVD deposition, the TA6V blades having a thickness of 1 mm and being rotated at a speed of 410 m / s blade tangential and an incursion rate of 5 pm / s or 50 pm / s.
Les résultats obtenus sont présentés dans le tableau ci-dessous.The results obtained are shown in the table below.
Les valeurs d'usure correspondent à un pourcentage par rapport à une usure de 100% correspondant à une profondeur maximale prise comme référence (rencontrée sur les échantillons 1 à 4).The wear values correspond to a percentage with respect to a wear of 100% corresponding to a maximum depth taken as a reference (met in samples 1 to 4).
Les essais montrent que l'application d'un revêtement TiAIN permet une réduction supérieure à 50% de l'usure des pales à base titane face à un matériau typique d'un logement roue axiale ou couvercle centrifuge.The tests show that the application of a TiAIN coating allows a reduction of more than 50% of the wear of the titanium-based blades facing a typical material of an axial wheel housing or centrifugal cover.
Enfin, pour pallier aux dégradations dues au phénomène d'érosion (sollicitations environnementales), les revêtements type TiAIN ou AlCrN seront appliquésFinally, to compensate for the degradation caused by the erosion phenomenon (environmental stress), TiAlN or AlCrN type coatings will be applied.
en priorité dans les zones soumises à l'érosion, comme par exemple les bords d'attaque et de fuite des pales, de préférence selon une épaisseur comprise entre 10 et 25 pm.in priority in areas subject to erosion, such as the leading and trailing edges of the blades, preferably in a thickness between 10 and 25 pm.
Plusieurs échantillons ont été réalisés en prenant des pièces en TA6V de dimensions 100 x 50 x 5 mm et en les recouvrant, pour certains, d'une couche de TiAIN ou de AlCrN de 15 pm d'épaisseur.Several samples were made by taking TA6V parts of dimensions 100 x 50 x 5 mm and covering some of them with a 15 μm thick layer of TiAlN or AlCrN.
Pour simuler une érosion, un jet de particules de quartz d'un diamètre de 150 pm a été envoyé à une vitesse de 100 m/s environ sur la surface des échantillons selon une incidence 30° et selon une incidence 90° par rapport à cette surface.To simulate erosion, a jet of quartz particles with a diameter of 150 μm was sent at a speed of about 100 m / s to the surface of the samples at an angle of incidence of 30 ° and a 90 ° incidence with respect to this sample. area.
Les résultats sont présentés sous forme de graphiques dans les figures 7 et 8.The results are presented graphically in Figures 7 and 8.
Dans les figures 7 et 8, les échantillons TA6V servant de référence sont représentés par la courbe 1 (pour l'incidence à 30°) et par la courbe 2 (pour l'incidence à 90°). Dans la figure 7, les courbes 3 et 4 représentent les résultats pour les échantillons de TA6V recouvert de TiAIN respectivement pour une incidence de 30° (ligne en trait plein) et une incidence de 90° (ligne en trait discontinu). Dans la figure 8, les courbes 5 et 6 représentent les résultats pour les échantillons de TA6V recouvert de AlCrN pour une incidence de 30° (ligne en trait plein) et une incidence de 90° (ligne en trait discontinu), respectivement.In Figures 7 and 8, the TA6V reference samples are represented by curve 1 (for incidence at 30 °) and curve 2 (for incidence at 90 °). In FIG. 7, curves 3 and 4 represent the results for the samples of TA6V coated with TiAIN respectively for an incidence of 30 ° (solid line) and an incidence of 90 ° (dashed line). In FIG. 8, curves 5 and 6 represent the results for AlCrN coated samples of TA6V at 30 ° incidence (solid line) and 90 ° incidence (dashed line), respectively.
On constate que les performances à l'érosion sont excellentes pour les deux angles d'incidences (30° et 90°) pour les échantillons recouverts de TiAIN et de AlCrN. En effet, aucune altération du revêtement n'a été observée après 1000s d'essai dans les deux cas.Erosion performance is excellent at both angles of incidence (30 ° and 90 °) for samples coated with TiAlN and AlCrN. Indeed, no alteration of the coating was observed after 1000s of test in both cases.
Au final, cette bonne tenue nous permet d'envisager des durées de vie supérieure en service des pièces recouvertes d'un tel revêtement.In the end, this good performance allows us to consider longer life in service parts covered with such a coating.
REFERENCES CITEESREFERENCES CITED
[1] US 2011/052406 Al [2] US 2015/0354373 Al[1] US 2011/052406 Al [2] US 2015/0354373 A1
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