FR3101642A1

FR3101642A1 - Etanchéité d’une turbine

Info

Publication number: FR3101642A1
Application number: FR1910964A
Authority: FR
Inventors: François Roger CARLIN Maxime; Jean-François Henne; Lisa PIN; Guy Xavier Tesson Thierry
Original assignee: Safran Ceramics SA
Current assignee: Safran Ceramics SA
Priority date: 2019-10-03
Filing date: 2019-10-03
Publication date: 2021-04-09
Anticipated expiration: 2039-10-03
Also published as: FR3101642B1

Abstract

L’invention concerne un procédé d’assemblage par mise en contact d’une pièce métallique 36 susceptible de réagir chimiquement à chaud avec une pièce en matériau CMC, le procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes :a) dépôt sur une partie 48 de la surface externe de la pièce métallique d’une couche 46 de matériau apte à s’oxyder par traitement chimique,b) oxydation à haute température de ladite couche 46 de matériau,c) mise en contact de la pièce métallique 36 et de la pièce en matériau CMC. Figure à publier avec l’abrégé : Figure n°3

Description

Etanchéité d’une turbine

Domaine technique de l’invention

La présente invention concerne les interactions chimiques une pièce métallique et une pièce en composite à matrice céramique dite CMC, et plus particulièrement dans une turbomachine

Etat de la technique antérieure

Il est connu de remplacer les pièces métalliques, dans une turbine de turbomachine, par des pièces en matériau CMC. Ce remplacement tire avantage du fait que les matériaux CMC présentent à haute température de meilleures propriétés mécaniques que les matériaux métalliques.

Il est ainsi connu de réaliser des anneaux ou des distributeurs de turbine à l’aide de pièces en CMC sectorisées. Ces secteurs d’anneau sont destinés à être agencés autour d’une rangée annulaire d’aubes mobiles. Ils peuvent aussi former un secteur de plateforme d’un distributeur de turbine en CMC. Ces anneaux sont fixés à un carter de turbine métallique. Les secteurs d’anneaux sont agencés circonférentiellement bout à bout et des moyens d’étanchéité sont ajoutés entre lesdits secteurs d’anneaux pour limiter les fuites d’air. Ces moyens d’étanchéité comprennent des languettes métalliques insérées pour moitié dans un bord circonférentiel d’un premier secteur d’anneau et pour l’autre moitié dans un bord circonférentiel d’un second secteur d’anneau circonférentiellement adjacent au premier secteur d’anneau.

Les languettes d’étanchéité assurent donc l’étanchéité au flux d’air chaud lorsque les secteurs d’anneau en CMC s’écartent radialement en conséquence de la dilatation du carter métallique, ce qui entraine une fuite circonférentielle.

Le matériau CMC utilisé pour réaliser les secteurs d’anneau comprend des fibres à base de SiC, c’est à dire du carbure de silicium, et une matrice à base de SiC et contenant également du Silicium libre. C’est ce silicium libre qui lui permet de réagir avec d’autres matériaux.

Les languettes d’étanchéité métalliques comprennent un alliage à base nickel ou cobalt, par exemple à base de HA 188 qui est une nuance d’alliage à base Cobalt. Ces alliages sont choisis pour leur tenue mécanique à haute température et leur résistance à l’oxydation. Egalement, la réalisation de languettes en CMC s’avère délicate du fait de la faible épaisseur des languettes (inférieure à 1 mm) en rapport de la dimension des torons et du volume élémentaire représentatif de ces matériaux de bases pour constituer un CMC.

A haute température, le silicium des secteurs d’anneau en CMC peut réagir chimiquement avec des éléments de l’alliage métallique (le nickel ou le cobalt par exemple) de la languette d’étanchéité sous la forme d’une diffusion en phase solide, typiquement à partir d’une température supérieure à 700°C. En plus de cette diffusion, un eutectique, formé à partir du silicium et des éléments de l’alliage métallique, à bas point de fusion peut être formé. Cet eutectique dégrade fortement le matériau CMC du secteur d’anneau et le matériau métallique de la languette d’étanchéité. Cette dégradation peut être une modification de la composition et de la microstructure, une diminution des propriétés mécaniques du CMC, une baisse de la durabilité de la pièce finale du fait de phénomènes de corrosion interne à cause des porosités créées ou encore la formation de fissures. Ces réactions chimiques entre des éléments de l’alliage formant la pièce métallique avec le silicium des secteurs d’anneau en CMC sont appelées par la suite « interactions CMC/Métal ».

L'invention vise à empêcher les interactions CMC/Métal, à haute température, des secteurs d’anneau en CMC avec les languettes métalliques d’étanchéité disposées entre ces derniers

Le présent document concerne un procédé d’assemblage par mise en contact d’une pièce métallique susceptible de réagir chimiquement à chaud avec une pièce en matériau composite à matrice céramique, le procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes :
a) dépôt sur une partie de la surface externe de la pièce métallique d’une couche de matériau apte à s’oxyder par traitement chimique,
b) oxydation à haute température de ladite couche de matériau,
c) mise en contact de la pièce métallique et de la pièce en matériau composite à matrice céramique.

Le procédé proposé permet de former un revêtement sur la pièce en matériau métallique de manière à éviter une réaction chimique à chaud entre le silicium de la pièce en CMC et le nickel ou le cobalt de la pièce métallique. Cette barrière de diffusion évite la formation d’un eutectique à partir du silicium et du nickel ou du cobalt.

La présence d’une barrière de diffusion permet ainsi un contact ou une proximité, à haute température, d’une pièce métallique et d’une pièce en CMC assemblées sans interaction chimique entre les constituants des deux pièces.

La pièce en matériau composite à matrice céramique est un secteur d’anneau de turbomachine destiné à être agencé autour d’une rangée annulaire d’aubes mobiles ou à former un secteur de plateforme d’un distributeur de turbine, et la pièce métallique peut être une languette d’étanchéité destinée à être engagée pour partie dans un bord circonférentiel dudit secteur d’anneau.

Dans un mode de réalisation particulier, la pièce en métal et la pièce en CMC sont des pièces de turbomachine destinées à être assemblées et à coopérer. Une languette d’étanchéité en métal est disposée entre deux secteurs d’anneau circonférentiellement adjacents ou deux secteurs d’anneau d’un distributeur en CMC, afin de garantir une étanchéité à chaud lorsque lesdits secteurs d’anneau s’écartent sous l’effet de la dilatation thermique du carter.

Ce procédé d’assemblage est également applicable à d’autres pièces d’une turbomachine, telles que des joints d’étanchéité ou des flasques.

La couche apte à s’oxyder peut comprendre de l’aluminium.L'effet technique est ainsi d’augmenter le réservoir d’aluminium en surface du matériau pour le rendre alumino-formeur de manière durable.

Le dépôt d’une couche munie d’aluminium sur la pièce métallique permet d’obtenir, à l’issue de l’étape b), une couche de matériau, formant une barrière de diffusion, comprenant de l’alumine. L’alumine n’est pas sensible à l’oxydation et permet d’éviter une interactions CMC/Métal entre la pièce métallique et la pièce en CMC.

Le traitement chimique peut être un traitement en phase vapeur.

Le traitement chimique du dépôt de la couche apte à s’oxyder peut par exemple être un procédé d’aluminisation en phase vapeur. L’aluminisation consiste à déposer en phase vapeur une couche de matériau apte à s’oxyder comprenant de l’aluminium. Ce procédé permet ainsi, à la suite de l’étape b), la formation d’une barrière de diffusion comprenant de l’alumine.

L’aluminisation permet de générer une couche constituée d’un alliage munie d’aluminium. L’oxydation de cette couche permet la formation d’une couche en céramique qui est difficilement déposable sur une pièce métallique selon un procédé de dépôt conventionnel.

L’aluminisation par phase vapeur est un procédé de dépôt de couche largement répandu et peu coûteux. Il est connu pour l’homme du métier de faire usage de l’aluminisation pour réaliser une protection contre l’oxydation à haute température des superalliages. Toutefois, l’usage de l’aluminisation pour former une barrière de diffusion et empêcher le contact entre deux matériaux, n’est pas connu. Cela l’est encore moins dans le cas particulier des languettes métalliques d’étanchéité entre deux secteurs d’anneaux en CMC.

La pièce métallique peut comprendre un alliage à base nickel ou cobalt et la pièce en matériau composite à matrice céramique peut comprendre des fibres comportant du carbure de silicium et une matrice comportant du carbure de silicium et du silicium libre.

La base nickel ou le cobalt de la pièce métallique sont susceptibles de former un eutectique avec le silicium de la pièce en CMC, tel que décrit précédemment en l’absence d’une barrière de diffusion.

Toutefois, la base nickel ou cobalt réagit au traitement chimique réalisé dans l’étape a) ; ce qui permet de former une couche autour de la partie désirée de la surface externe de la pièce métallique. Cette couche est apte à s’oxyder et forme une céramique, après oxydation.

La couche de matériau déposée, apte à s’oxyder, peut être composée d’un alliage de nickel-aluminium, tel que de l’aluminure de nickel. On pourrait avoir aussi des mélanges Ni-Al et CoAl. Dans tous les cas, l’aluminiure formé en surface permet d’augmenter le réservoir d’atomes d’aluminium, et de rendre le matériau alumino formeur.

La couche de matériau déposée, apte à s’oxyder, réagit avec le nickel de la pièce métallique et forme une couche composée d’un alliage du type nickel-aluminium. La réaction de l’aluminium avec l’alliage de nickel de la pièce métallique permet de garantir une bonne adhérence de la couche d’alliage nickel-aluminium sur une partie de la surface externe de la pièce métallique.

La couche de matériau déposée à l’étape a) peut être, à l’issue de l’oxydation de l’étape b), une céramique.

Les couches de matériau en céramique possèdent une grande résistance mécanique, une faible densité, une forte dureté et une résistance élevée à l'usure. Par ailleurs, les céramiques gardent leur solidité même à des températures très élevées, ce qui est le cas lorsque la turbomachine est en fonctionnement.

La couche de matériau déposée à l’étape a) peut comprendre, à l’issue de l’oxydation de l’étape b), de l’alumine.

Ainsi, la peau en alumina ainsi stablement formée fait barrière de diffusion aux espèces métalliques (en l’occurrence le Ni ou le Co avec le Si du CMC). L’alumine est utilisée en barrière de diffusion pour les opérations de brasages NiCoSi utilisées sur pièces de turbines métalliques.

A l’issue de l’étape d’oxydation, la pièce métallique comprend une couche continue en alumine empêchant l’oxydation de la pièce métallique et toute interaction CMC/Métal avec la pièce en CMC.

La couche de matériau apte à s’oxyder peut comprendre du platine ou d’autres réactifs améliorant, après oxydation, l’adhérence de l’alumine sur la surface externe de la pièce métallique. Ces autres réactifs sont par exemple Hf, Pd, Zr ou tout autre élément permettant d’améliorer les performances des revêtements aluminoformeurs à haute température.

L’invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d’exemple non limitatif en référence aux dessins annexés.

Brève description des figures

est une vue en perspective d’un anneau de turbine.

est une vue en coupe d’un échantillon comprenant une pièce en AM1 et une pièce en CMC après une période de chauffage;

comprend trois parties A, B et C nommées respectivement figure 3A, figure 3B et figure 3C. La figure 3A est une vue en coupe d’une pièce en métal ; la figure 3B est une vue en coupe de la pièce en métal de la figure 3A sur laquelle une couche de matériaux apte à s’oxyder a été déposée ; La figure 3C est une vue en coup de la pièce en métal de la figure 3B où la couche déposée est oxydée ;

La figure 4 est une vue en coupe de l’échantillon de la figure 2, ayant subi un traitement chimique selon l’invention, après la même période de chauffage

Description détaillée de l’invention

Classiquement dans une turbomachine, une roue mobile de la turbine est entourée extérieurement par un anneau de support d’un matériau abradable. L’anneau est fixé à un carter externe et est formé d’une pluralité de secteurs agencés circonférentiellement bout à bout.

La figure 1 illustre un tel secteur d’anneau 10 en CMC d’une turbine de turbomachine. Ce secteur d’anneau 10 comprend une portion 12 de paroi annulaire, ici cylindrique, comportant une face radialement externe 14 à partir de laquelle s’étendent, radialement vers l’extérieur, une première paroi annulaire radiale 16 amont AM et une seconde paroi annulaire radiale 18 aval AV. Les première paroi annulaire radiale 16 amont et seconde paroi annulaires radiales 18 aval sont munies d’orifices 20 destinés à la fixation du secteur d’anneau 10 au carter externe de la turbine par boulonnage. Le secteur d’anneau 10 porte sur une face radialement interne 22 de la portion 12 de paroi annulaire cylindrique, une couche de matériau abradable 24 destiné à coopérer avec les extrémités radialement externes des aubes de la roue mobile aubagée.

Chaque secteur d’anneau 10 présente deux bords circonférentiellement opposés 26, 28, venant en vis-à-vis avec un bord circonférentiel d’un secteur d’anneau adjacent. Chaque bord circonférentiel 26, 28 d’un secteur d’anneau 10 présente au moins une fente, dans le cas échéant trois fentes 30a, 30b, 30c débouchant circonférentiellement en direction d’un secteur d’anneau adjacent, et en vis-à-vis d’une fente dudit secteur d’anneau adjacent.

Dans un mode de réalisation particulier, chaque bord circonférentiel 26, 28 comprend une première fente longitudinale 30a s’étendant parallèlement à un axe X de rotation de la turbomachine.

L’extrémité circonférentielle 26, 28 comprend également une deuxième et une troisième fentes inclinées en oblique 30b, 30c, s’étendant selon une composante longitudinale X et une composant radiale Z. Les deuxième et troisième fentes 30b, 30c débouchent radialement vers l’intérieur dans la première rainure longitudinale 30a, et s’étendent radialement vers l’extérieur au moins pour partie dans l’épaisseur des parois annulaires radiales amont 16 et aval 18. La deuxième fente 30b et la troisième fente 30c s’écartent l’une de l’autre en allant radialement vers l’extérieur. La deuxième fente 30b s’étend ainsi vers un bord amont 32, et la troisième fente 30c vers un bord aval 34, du secteur d’anneau 10.

Ces première, deuxième et troisième fentes 30a, 30b, 30c sont destinées à recevoir une pièce métallique 36 (voir figure 3) sous la forme d’une ou plusieurs languettes d’étanchéité. Ces languettes d’étanchéité sont ainsi insérées dans les fentes 30a, 30b, 30c aux extrémités circonférentielles 26, 28 des secteurs d’anneau. Les languettes d’étanchéité sont insérées pour une moitié dans les fentes 30a, 30b, 30c d’une extrémité circonférentielle 26, 28 d’un secteur d’anneau 10 et pour l’autre moitié dans les fentes de l’extrémité circonférentielle d’un secteur d’anneau adjacent. Ces languettes d’étanchéité permettent de garantir l’étanchéité entre deux secteurs d’anneau 10 adjacents.

Toutefois, ces languettes d’étanchéité sont communément réalisées en un matériau métallique, plus particulièrement un superalliage à base de nickel ou de cobalt qui à forte température réagit avec le matériau CMC de du secteur d’anneau. L’interaction métal/CMC forme un ou plusieurs eutectiques, illustrés en figure 2. Le fait que, en passant par une phase liquide, on crée une liaison forte (brasure) en solidifiant, et à cause de la différence des coefficients de dilatation entre l’alliage et le CMC il se crée de la fissuration dans le CMC, l’alliage et l’eutectique.

La figure 2 illustre le contact d’une pièce en CMC 38 avec une pièce métallique 36, plus particulièrement en un superalliage à base nickel d, après un test de chauffage à 1150°C des pièces 36, 38 durant 100h. Il peut être observé que la pièce métallique 36 et la pièce en CMC 38 sont structurellement endommagées (déformation 40, formation de criques) par la formation d’eutectiques 42 se formant entre les deux pièces.

Pour remédier à ce problème de formation d’eutectique 42 entre les deux pièces 36, 38, il est alors nécessaire de former une barrière de diffusion 44 (figure 3C) sur la languette d’étanchéité 36 pour empêcher toute interactions CMC/métal, à chaud, au niveau des zones de contact du secteur d’anneau 10 en CMC et de la languette d’étanchéité 36 en métal.

La figure 3B illustre une couche de matériau 46, apte à s’oxyder, qui est déposée sur une partie 48 de la surface externe de la languette d’étanchéité 36 métallique à l’aide d’un traitement chimique. Cette couche 46 est ensuite oxydée à haute température (figure 3C). Seules les surfaces de contact de la languette d’étanchéité métallique avec le secteur d’anneau en CMC nécessitent d’être recouvertes par la couche de matériau 46, apte à s’oxyder, pour former la barrière de diffusion.

Dans un mode de réalisation particulier, la languette d’étanchéité 36 est intégralement recouverte par la couche 46 apte à s’oxyder.

Il est connu de faire un dépôt d’aluminium sur la surface de pièces métalliques de turbine pour les protéger de l’oxydation. Le revêtement protecteur est généré par un procédé CVD (dépôt chimique en phase vapeur). On peut aussi utiliser la cémentation. On dépose des atomes d’Aluminium (et non du métal aluminium) qui vont directement réagir avec le Co ou le Ni pour faire des intermétalliques de type aluminiures. Ce sont eux qui forment l’alumine en s’oxydant à haute température.

Les épaisseurs d’aluminiures peuvent aller de 10 à 200µm, en fonction du substrat.

L’aluminisation est particulièrement adaptée aux pièces en superalliage à base de nickel ou cobalt, telles que les languettes d’étanchéité 36. L’aluminium réagit facilement avec le nickel et le cobalt afin de former une couche 46 sur la languette d’étanchéité 36, telle qu’une couche d’aluminure de nickel.

L’invention vise à détourner l’usage du procédé d’aluminisation afin de former une barrière de diffusion 44 sur les languettes d’étanchéité 36.

La couche de matériau déposée 46 comprenant de l’aluminium et du nickel ou du cobalt est oxydée à une température comprise entre 500°C et 1200°C pendant une période de temps comprise entre 1 minute et 50 h.

A l’issue de la période d’oxydation, la couche déposée 46 sur la pièce métallique 36 constitue une céramique formant la barrière de diffusion 44. Plus, particulièrement dans le cas d’une aluminisation ou d’un dépôt par traitement chimique comprenant de l’aluminium, la couche déposée 46 comprend de l’alumine.

Les matériaux céramiques possèdent une grande résistance mécanique, une faible densité, une forte dureté et une résistance élevée à l'usure. Les céramiques gardent également leur solidité même à des températures élevées et situées dans la gamme de valeurs précitée.

Cette couche céramique, formée sur une partie 48 de la surface externe de la languette d’étanchéité 36 en métal, est destinée à venir en contact avec le secteur d’anneau 10 en CMC et plus particulièrement ses fentes 30a, 30b, 30c.

Cette couche formée 46 sur une partie 48 de la surface extérieure de la languette d’étanchéité 36 en métal permet d’éviter les interactions CMC/métal entre la languette d’étanchéité et le secteur d’anneau 10. On évite ainsi la formation d’eutectiques 42, lorsque l’environnement de ces pièces est à haute température.

La figure 4 illustre le même test qu’illustré en figure 2, à savoir le contact d’une pièce métallique 36 et d’une pièce en CMC 38 à 1150°C durant 100h. La seule différence avec le test illustré en figure 2, est que la pièce en métallique 36 comprend un traitement selon l’invention. Il est à noter qu’après les 100h de chauffage à 1150°C, aucune des deux pièces 36, 38 n’est déformée structurellement et qu’aucun eutectique 42 n’est formé ni aucune présence de diffusion phase solide entre la pièce métallique 36 et la pièce en CMC 38. Cela démontre bien l’absence d’interaction entre les deux pièces qui conservent chacune leur intégrité structurale.

Dans un mode de réalisation particulier, la couche 46 de matériau apte à s’oxyder comprend du platine ou d’autres réactifs tels que Hf, Pd, Zr. Le platine ou un autre réactif adapté permettent d’améliorer l’adhérence de la couche 46 déposée puis oxydée avec la languette d’étanchéité 36 en métal. Par ailleurs, pour que la barrière de diffusion 44 soit efficace, il faut que cette dernière soit continue sur la partie 48 de la languette métallique 36 à couvrir. En fonction de l’addition de platine ou d’un autre réactif adapté dans la couche 46 à déposer, le temps d’oxydation est à adapter en fonction des dopants.

Dans un mode de réalisation non illustré, le secteur d’anneau 10 peut former un secteur de plateforme d’un distributeur de turbine en CMC présentant des fentes similaires au secteur d’anneau illustré en figure 1. De la même manière que pour les secteurs d’anneau portant une couche de matériau abradable, des languettes d’étanchéité métalliques sont interposées entre les secteurs circonférentiels adjacents du distributeur afin de garantir une étanchéité. Pour les mêmes raisons qu’évoqué précédemment, il est donc nécessaire de procéder au traitement chimique d’au moins une partie de la surface externe de la languette pour qu’il n’y ait pas d’interactions à chaud entre la languette d’étanchéité métallique et le secteur de distributeur en CMC.

Claims

Procédé d’assemblage par mise en contact d’une pièce métallique (36) susceptible de réagir chimiquement à chaud avec une pièce en matériau composite à matrice céramique (38), le procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes :
a) dépôt sur une partie (48) de la surface externe de la pièce métallique (36) d’une couche (46) de matériau apte à s’oxyder par traitement chimique,
b) oxydation à haute température de ladite couche (46) de matériau,
c) mise en contact de la pièce métallique (36) et de la pièce en matériau composite à matrice céramique (38).
Procédé selon la revendication 1, dans lequel la pièce en matériau composite à matrice céramique (38) est un secteur d’anneau de turbomachine destiné à être agencé autour d’une rangée annulaire d’aubes mobiles ou à former un secteur de plateforme d’un distributeur de turbine, et la pièce métallique (36) est une languette d’étanchéité destinée à être engagée pour partie dans un bord circonférentiel dudit secteur d’anneau (10).
Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ladite couche (46) apte à s’oxyder comprend de l’aluminium
Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, le traitement chimique est un traitement en phase vapeur.
Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel la pièce métallique (36) comprend un alliage à base nickel ou cobalt et la pièce en matériau composite à matrice céramique (38) comprend du carbure de silicium et une matrice comportant du carbure de silicium et du silicium libre.
Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel la couche de matériau déposée (46), apte à s’oxyder, est composée d’un alliage de nickel-aluminium, tel que de l’aluminure de nickel.
Procédé selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel la couche de matériau déposée à l’étape a) est, à l’issue de l’oxydation de l’étape b), une céramique.
Procédé selon la revendication 7, dans lequel la céramique est de l’alumine.
Procédé selon la revendication 7, dans lequel, la couche (46) de matériau apte à s’oxyder comprend du platine ou d’autres réactifs améliorant, après oxydation, l’adhérence de l’alumine sur la surface externe de la pièce métallique (36).