FR3107524A1 - Revêtement abradable - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne un revêtement abradable pour turbomachine, comprenant un composé minéral, dont la dureté Mohs est inférieure ou égale à 6 et dont la température de fusion est supérieure à 450°C, voire 800°C, et un composé polymérique, avec une teneur comprise entre 40 % et 70 % en volume. Figure pour l'abrégé : figure 9

Description

REVÊTEMENT ABRADABLE
La présente invention concerne un revêtement abradable pour turbomachine, ainsi qu’un module de turbomachine et une turbomachine comprenant un tel revêtement abradable.
Ce revêtement abradable peut être utilisé dans tout type de turbomachine, et notamment dans des turboréacteurs civils ou militaires. En particulier, ce revêtement abradable est tout particulièrement utile dans les environnements soumis à des températures jusqu’à 450°C.
Dans de nombreuses machines tournantes, il est connu de munir l’anneau du stator de pistes abradables en regard du sommet des aubes du rotor.
De telles pistes sont réalisées à l’aide de matériaux dit «abradables» qui s’usent lorsque des aubes tournantes entrent en contact avec ces pistes.
Un jeu minimal entre le rotor et le stator est ainsi assuré, limitant les fuites d’air et améliorant les performances de la machine tournante, sans risquer de détériorer les aubes en cas de frottement de ces dernières sur le stator.
La performance des turboréacteurs est notamment due à la maitrise de ces jeux entre le stator et le rotor. Par exemple, les jeux entre les sommets des aubes et les pistes abradables doivent être minimum pour réduire la marge au pompage de la machine tournante.
Sur de grands diamètres, ces jeux sont efficacement contrôlés à l’aide des pistes abradables.
Dans la veine d’air, le jeu est réduit par l’aube qui vient effleurer la piste abradable. En cas de contact, le frottement des aubes sur le stator abrade la piste abradable, et l’aube suit son chemin avec une ouverture de jeu minimale. Le diamètre de l’anneau du stator est ainsi ajusté automatiquement au plus proche du rotor.
En dehors de la veine d’air, des séries de léchettes sont usinées dans le rotor et viennent pénétrer dans la piste abradable formant un labyrinthe pour le flux d’air. Ce labyrinthe a une fonction d’étanchéité.
Les joints abradables actuellement utilisés dans des zones moteurs où la température est inférieure à 450°C sont des revêtements abradables à base d’alliage d’Aluminium-Silicium (Al-Si) associé à un polymère de type polyester ou à une céramique de type Nitrure de Bore hexagonal (h-BN).
Toutefois, ces revêtements abradables ont une mauvaise résistance à la corrosion. Le frottement des aubes sur ces revêtements a pour conséquence la création de composés d’hydroxyde d'aluminium (Al(OH)3), qui induisent un gonflement du revêtement abradable, et donc des délaminations dans le revêtement. Ces délaminations 10 sont notamment représentées sur la figure 1, qui représente un revêtement abradable 11 sur un substrat 12. Ces revêtements perdent alors leur fonction abradable.
De plus, ces revêtements abradables ont un mauvais comportement abradable pour des vitesses d’incursion faibles.
La figure 2 représente une carte d’usure d’un revêtement abradable à base de Al-Si et de polymère obtenue par frottement d’une aube. Cette carte d’usure représente le taux d’incursion dans le revêtement abradable (Ti) en fonction de la vitesse de l’aube (V). Sur cette figure, la zone A correspond à une zone de transfert du revêtement sur l’aube, la zone B correspond à une zone de sillonage du revêtement abradable avec un faible transfert d'aluminium sur l’aube, la zone C correspond à une zone de sillonage avec des microcoupures du revêtement abradable, et la zone D correspond à une zone d’usure par fusion. Les flèches indiquent vers quel mode d’usure évolue le revêtement abradable lorsqu’il est poreux.
Pour de faibles vitesses d’incursion (de l’ordre de 10µm/s), on observe ainsi des transferts des revêtements abradables vers les aubes (zones A et B de la figure 2), et donc de la sur-pénétration (par exemple une pénétration de 246%) et l’apparition de sillons, comme représentés en figure 2. Ces transferts induisent d’importantes pertes de performances du moteur.
Il existe donc un réel besoin pour un revêtement abradable pour turbomachine, ainsi qu’un module de turbomachine et une turbomachine comprenant un tel revêtement abradable, dépourvus, au moins en partie, des inconvénients inhérents aux configurations connues précitées.
L’invention a pour objectif de proposer une solution permettant de remédier à au moins certains de ces inconvénients.
A cet effet, l’invention concerne un revêtement abradable pour turbomachine, comprenant un composé minéral, dont la dureté Mohs est inférieure ou égale à 6 et dont la température de fusion est supérieure à 450°C, voire 800°C, et un composé polymérique, avec une teneur comprise entre 40% et 70% en volume.
Dans le présent exposé, on entend par «composé minéral» un composé solide ayant une structure atomique ordonnée et une composition chimique définie. En particulier, un tel composé minéral peut posséder une structure cristalline caractérisée par l’agencement de ses atomes selon une périodicité et une symétrie données (système cristallin et groupe d’espace du composé minéral).
Dans le présent exposé, sauf précision contraire, les termes «inférieur» et «supérieur» doivent être compris au sens large, c’est-à-dire comme signifiant «inférieur ou égal» et «supérieur ou égal», respectivement.
Le revêtement abradable bi-composant polymère/minéraux selon l’invention a avantageusement des propriétés d’anticorrosion et d’anti-sillonage. En effet, de par leur nature physicochimique, le composé polymérique et le composé minéral ne se corrodent pas.
Le revêtement selon l’invention offre une très bonne abradabilité et engendre des pertes aérodynamiques faibles. Un tel revêtement abradable est peu coûteux à produire, et offre de larges possibilités d’usinage.
Un tel revêtement abradable est fonctionnel sur moteur, sans limitation de durée, pour une température inférieure ou égale à 450°C, voire 350°C. En effet, le composé polymérique permet de tenir de telles températures, sans que cela ne dégrade l’abradabilité du revêtement, et le composé minéral peut être thermiquement stable jusqu’à 450°C, voire 800°C.
Ce revêtement abradable bénéficie d’une stabilité à haute température, ce qui le rend adapté pour des modules de turbomachine exposés à de hautes températures, tels que les compresseurs haute pression et basse pression.
Lors du fonctionnement du moteur, les aubes affleurant ou pénétrant dans le revêtement abradable produisent des poussières qui peuvent être explosives. Avec un revêtement abradable composé de polymère et de minéraux selon l’invention l’absence d’aluminium permet de réduire fortement la sensibilité des poussières à l’auto-explosion.
Par ailleurs, les débris d’abrasion sont inertes, ce qui réduit leur impact sur l’aval de la turbomachine. Un tel revêtement réduit le risque de colmatage des canaux de refroidissement du module.
Le composé minéral est stable au moins jusqu’à 450°C, voire 800°C.
Par «stable», on entend que le composé minéral ne subit pas de changement d’état physique (fusion ou transformation de phase par exemple) ou de transformation chimique (oxydation par exemple) lorsqu’il est porté à la température considérée depuis la température ambiante.
Le composé polymérique peut être un polyester, par exemple à cristaux liquides, ou un polymère projetable (i.e. pouvant être projeté, notamment par projection thermique).
De préférence, la porosité du revêtement abradable est inférieure à 5%.
On entend par «porosité» le rapport entre le volume des vides présents dans le matériau et le volume total du matériau. Grâce à une telle porosité réduite, la rugosité du revêtement est réduite, même en l’absence de traitement de surface, ce qui limite les pertes aérodynamiques.
Le composé minéral peut être choisi parmi: du Fluorure de Calcium, de l’Hydroxyapatite du Phosphate de Lanthane, de la Diatomite, de la Muscovite ou du Sulfate de Baryum. Ces composés minéraux sont avantageusement stables au moins jusqu’à 450°C, voire 900 °C, et possèdent une dureté adaptée pour fournir un caractère abradable satisfaisant tout en présentant une faible rugosité.
Le revêtement abradable est de préférence insoluble dans l’eau et l’acétone et faiblement soluble dans l’alcool.
L’invention concerne également un module de turbomachine, comprenant:
  • un rotor muni d’une pluralité d’aubes mobiles,
  • un stator, et
  • au moins un revêtement abradable selon l’invention prévu à l’interface entre une portion du rotor et une portion du stator.
Le module peut être un compresseur haute pression ou un compresseur basse pression pour turbomachine. La température dans ce module ou ce type de compresseur est de préférence inférieure à 350°C.
Le module de turbomachine peut comprendre au moins une sous-couche de rugosité Ra comprise entre 9µm et 40µm, de préférence sur la portion du rotor et sur la portion du stator, sous le revêtement abradable. Cette sous-couche permet une meillleure adhérence du revêtement abradable au substrat à revêtir. Avantageusement, plus la sous-couche est rugueuse, plus l’adhérence du revêtement abradable est élevée.
L’invention concerne également une turbomachine d’aéronef comprenant un module selon l’invention.
L’invention concerne également un procédé de réalisation d’un revêtement abradable selon l’invention, comprenant les étapes consistant en:
  • un mélange d’une poudre d’un composé minéral dont la dureté Mohs est inférieure ou égale à 6 et dont la température de fusion est supérieure à 450°C, voire 800°C, et d’une poudre d’un composé polymérique,
  • une formation d’un revêtement abradable à partir dudit mélange de poudres, le composé polymérique ayant une teneur comprise entre 40% et 70% en volume du revêtement abradable,
  • une application du revêtement abradable à l’interface entre une portion d’un rotor muni d’une pluralité d’aubes mobiles et une portion d’un stator d’un module de turbomachine.
La stabilité chimique du revêtement est ainsi assurée jusqu’à au moins 450°C.
La formation du revêtement abradable peut être réalisée par projection thermique à simple ou double injection, ou par extrusion, ou par moulage à chaud. En particulier, le revêtement abradable peut être obtenu par projection thermique à double injection pour le bi-composant ou à simple injection dans le cas de poudres déjà mélangées.
L’application du revêtement abradable peut être réalisée par collage au moyen d’un film de colle ou par collage par injection directe entre la portion du rotor et la portion du stator. Au moins une des surfaces au contact de cette colle est de préférence rendue rugueuse par un traitement adapté.
Le revêtement abradable peut ensuite être usiné par tournage et/ou fraisage et/ou rectification.
La présente invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description d’un exemple non limitatif qui suit, en référence aux dessins annexés sur lesquels:
la figure 1, déjà décrite, représente une microstructure de revêtement abradable composé de Al-Si et de polyester, après des essais de corrosion cycliques,
la figure 2, déjà décrite, représente une carte d’usure d’un revêtement abradable composé de Al-Si et de polymère, obtenue par frottements d’une aube,
la figure 3, déjà décrite, représente une trace laissée par une aube sur un revêtement abradable composé de Al-Si et de h-BN, après des essais d’abradabilité,
la figure 4 représente une vue en coupe axiale d’une turbomachine selon l’invention,
la figure 5 représente une vue en perspective d’une turbomachine selon l’invention,
la figure 6 représente une vue de face d’un module de turbomachine selon l’invention,
la figure 7 est un graphique représentant la résistance à l’érosion et au sillonage d’un revêtement abradable selon l’invention en fonction du ratio entre le composé minéral et le composé polymérique,
la figure 8 représente un dispositif de projection thermique à double injection,
les figures 9 et 10 représentent une microstructure d’un revêtement abradable selon l’invention composé d’Hydroxyapatite et de Polyester, et
la figure 11 représente une trace laissée par une aube sur un revêtement abradable selon l’invention composé d’Hydroxyapatite et de Polyester, après des essais d’abradabilité.
Les éléments ayant les mêmes fonctions dans les différentes mises en œuvre ont les mêmes références dans les figures.
Les figures 4 et 5 représentent un turboréacteur à double flux 1 s’étendant selon un axe principal A, constituant un exemple de turbomachine selon l’invention. Le turboréacteur 1 comporte, d’amont en aval dans le sens de la circulation du flux d’air représenté par la flèche F, une soufflante 2, un compresseur basse pression 3, un compresseur haute pression 4, une chambre de combustion 5, une turbine haute pression 6 et une turbine basse pression7. Les compresseurs basse pression 3 et haute pression 4 comportent plusieurs étages de compression.
Le rotor de chaque étage de compression comprend une pluralité d’aubes mobiles, montées sur un disque accouplé à un arbre haute pression du turboréacteur 1. Une virole relie le disque au disque de l’étage précédent.
Le stator de chaque étage comprend une virole, prévue en vis-à-vis des aubes mobiles du rotor, et une pluralité d’aubes fixes prévues en vis-à-vis de la virole du rotor. La virole du stator porte des pistes abradables contre lesquelles viennent frotter les extrémités externes des aubes mobiles du rotor.
Les zones de contact 8 entre les aubes 9 mobiles du rotor 13 et les pistes abradables 14 du stator 15 sont notamment visibles sur les figures 5 et 6. Les pistes abradables 14 font jointure avec les sommets des aubes 9 du rotor 13. Les zones de contact 8 correspondent au jeu entre les sommets des aubes 9 du rotor 13 et les pistes abradables 14.
Des exemples de revêtements abradables, permettant de former ces pistes abradables, vont maintenant être décrits.
Le revêtement abradable comprend un composé minéral et un composé polymérique. Plus précisément, le revêtement abradable peut consister en un composé minéral et en un composé polymérique. A l’exception d’impuretés éventuelles, ce revêtement abradable ne comprend aucun autre constituant. En particulier, ce revêtement abradable ne comporte pas de composé métallique.
Le composé minéral a une dureté Mohs inférieure ou égale à 6, et une température de fusion supérieure à 450°C, voire 800°C. Autrement dit, le composé minéral est stable au moins jusqu’à 450°C, voire 800°C.
Le composé minéral peut être choisi parmi: du Fluorure de Calcium (CaF2), de l’Hydroxyapatite (Ca10(PO4)6(OH)2), du Phosphate de Lanthane (LaPO4), de la Diatomite (SiO2), de la Muscovite (KAl2(AlSi3O10)(OH,F)2) ou le Sulfatede Baryum (BaO4S).
L’Hydroxyapatite possède un système cristallin hexagonal et un groupe d’espace 6/m. Ce composé minéral est stable jusqu’à 900°C au moins et possède une dureté de 5 sur l’échelle de Mohs. De plus, ce composé minéral est insoluble dans l’eau, l’acétone et l’alcool.
Le composé polymérique peut être un polyester, par exemple à cristaux liquides, ou un polymère pouvant être projeté, notamment par projection thermique.
Le revêtement abradable a une teneur moyenne volumique en composé polymérique comprise entre 40% et 70%.
Les proportions de composé polymérique dans le revêtement abradable dépendent de la fonction de la pièce-moteur. Par exemple, le revêtement abradable est peu chargé en Polyester (autour des 40% en volume du revêtement abradable) pour le compresseur haute pression, et est plus chargé en Polyester (autour des 70% en volume du revêtement abradable) pour le compresseur basse pression.
La figure 7 représente la résistance à l’érosion (RE) (i.e. les propriétés anticorrosion) et la résistance au sillonage (RS) (i.e. les propriétés anti-sillonage) du revêtement abradable en fonction du ratio (RP) entre le composé minéral et le composé polymérique.
La résistance au sillonage RS(représentée par la courbe a) est stable pour un revêtement abradable comprenant entre 0% et 80% de composé polymérique, et entre 20% et 100% de composé minéral, tandis que la résistance à l’érosion RE(représentée par la courbe b) augmente lorsque le pourcentage de composé polymérique augmente dans le revêtement abradable (de 0% à 80% de composé polymérique en volume du revêtement abradable), et donc lorsque le pourcentage de composé minéral diminue dans le revêtement abradable (de 100% à 20% de composé minéral en volume du revêtement abradable).
Sur la figure 7, la zone Z1 correspond aux pourcentages optimaux de composé polymérique dans le revêtement abradable. Cette zone Z1 s’étend entre 40% et 70% de composé polymérique en volume dans le revêtement abradable. Un revêtement abradable comprenant un tel pourcentage de composé polymérique en volume présente les propriétés anticorrosion et anti-sillonage optimales.
Le revêtement abradable selon l’invention ne comporte pas plus de 70% de composé polymérique en volume. En effet, au-delà de 70% de composé polymérique en volume dans le revêtement abradable, ce dernier aurait une adhérence insuffisante au substrat, notamment dans le cas d’un revêtement abradable obtenu par projection thermique. Sur la figure 7, la zone Z2 correspond aux pourcentages de composé polymérique dans le revêtement abradable pour lesquels le revêtement abradable aurait une adhérence insuffisante au substrat.
Le revêtement abradable selon l’invention ne comporte pas moins de 40% de composé polymérique en volume. En effet, en-deçà de 40% de composé polymérique en volume dans le revêtement abradable, ce dernier aurait une résistance à la corrosion insuffisante. Sur la figure 7, la zone Z3 correspond aux pourcentages de composé polymérique dans le revêtement abradable pour lesquels le revêtement abradable aurait une résistance à l’érosion insuffisante.
De préférence, la porosité du revêtement abradable est inférieure à 5%. Cette porosité peut être évaluée par observation au microscope avec un grandissement de x200.
Le revêtement abradable est insoluble dans l’eau et l’acétone, faiblement soluble dans l’alcool et peut être soluble dans les produits de lavage des moteurs. En particulier, le composé minéral se dissout de façon importante à partir d’un pH inférieur ou égal à 3 (pH inférieur à celui des pluies acides).
Le revêtement abradable peut être déposé par projection thermique sur le substrat à revêtir, à partir de poudres. Dans le cas d’un revêtement abradable composé d’Hydroxyapatite et de Polyester, la granulométrie de poudre avant projection du composé minéral varie de -130µm à +45µm, et celle du polyester varie de -150µm ou -145µm à +45µm.
Dans le cas d’une projection thermique à simple injection, les poudres de composé minéral et de composé polymérique sont mélangées préalablement, puis le mélange de poudre est projeté, au moyen d’une torche à plasma, sur le substrat à revêtir.
Dans le cas d’une projection thermique à double injection, les poudres de composé minéral et de composé polymérique sont mélangées lors de la projection sur le substrat à revêtir. La figure 8 représente un dispositif de projection thermique à double injection. Ce dispositif 20 comporte un injecteur de composé minéral 21, un injecteur de composé polymérique 22 et une torche à plasma 23. Le composé minéral et le composé polymérique sont injectés dans le faisceau de la torche à plasma, qui les projettent sur le substrat à revêtir.
Le revêtement abradable peut être usiné par toute technique connue, notamment par tournage, fraisage, ou rectification. Après un usinage de surface, on obtient un revêtement abradable comme représenté en figure 9, dont la microstructure est visible sur la figure 10. Le taux de porosité de ce revêtement abradable est inférieur ou égal à 5%.
L’abradabilité de ce revêtement abradable (évaluée selon DMC 0420) est dans l’intervalle 100%-130%. Avec un tel revêtement abradable, il n’y a pas d’usure des aubes.
L’essai DMC 0420 permet d’évaluer les performances d’un revêtement abradable à l’aide du rapport A/S (Abradabilité sur Surpénétration) qui est mesuré à l’aide d’un dispositif de mesure non illustré dans les dessins : trois aubes simulacres sont disposées en saillie sur le périmètre d’une roue tournante. Un échantillon abradable à tester est placé en dessous de la roue tournante. La roue tournante avance à vitesse constante vers l’échantillon abradable et le pénètre jusqu’à une profondeur consigne. On mesure ensuite la profondeur effectivement creusée dans l’abradable et on calcule le rapport profondeur consigne/profondeur creusée. Ce rapport est appelé rapport A/S et s’exprime en pourcentage.
Le revêtement abradable composé d’Hydroxyapatite et de Polyester peut être déposé sur le substrat à revêtir, de préférence un compresseur basse pression, selon une autre technique. Les poudres d’Hydroxyapatite et de Polyester sont mélangées, puis extrudées ou moulées à chaud de sorte à former un anneau. Cet anneau est un brut de piste abradable, qui est ensuite collé sur le substrat à revêtir ou directement injecté sur le substrat, par exemple le carter du compresseur basse pression. Le brut de piste abradable peut être collé au moyen d’un film de colle. En variante, afin de minimiser l’épaisseur du joint de colle et d’assurer une meilleure adhérence du revêtement abradable sur le substrat, l’anneau peut être inséré à froid. Le collage s’effectue alors par cuisson au four, par exemple à une température d’environ 175°C. Ensuite, la piste abradable est usinée aux cotes souhaitées.
Une sous-couche d’adhérence peut être ajoutée, entre le substrat à revêtir et le revêtement abradable. Le revêtement abradable est d’autant plus adhérent que la sous-couche est rugueuse. De préférence, la sous-couche a une rugosité Ra comprise entre 9µm et 40µm. Par exemple, la sous-couche peut être composée d’un alliage de Nickel-Aluminium (NiAl) ou d’un alliage de Nickel-Chrome-Aluminium (NiCrAl) déposée sur le substrat par pulvérisation plasma dans l’air. Une telle sous-couche a une rugosité Ra d’environ 10µm. La sous-couche peut être composée de NiAl ou de NiCrAl déposée par projection arc-fil. Une telle sous-couche a une rugosité Ra d’environ 40µm.

Claims (10)

  1. Revêtement abradable pour turbomachine (1), comprenant un composé minéral, dont la dureté Mohs est inférieure ou égale à 6 et dont la température de fusion est supérieure à 450°C, voire 800°C, et un composé polymérique, avec une teneur comprise entre 40% et 70% en volume.
  2. Revêtement abradable selon la revendication 1, dans lequel le composé polymérique est un polyester ou un polymère projetable.
  3. Revêtement abradable selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel la porosité est inférieure à 5%.
  4. Revêtement abradable selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le composé minéral est choisi parmi: du Fluorure de Calcium, de l’Hydroxyapatite du Phosphate de Lanthane, de la Diatomite, de la Muscovite ou du Sulfate de Baryum.
  5. Module de turbomachine, comprenant:
    • un rotor (13) muni d’une pluralité d’aubes mobiles (9),
    • un stator (15), et
    • au moins un revêtement abradable selon l’une des revendications 1 à 4 prévu à l’interface entre une portion du rotor et une portion du stator.
  6. Module selon la revendication 5, comprenant au moins une sous-couche de rugosité Ra comprise entre 9µm et 40µm sur la portion du rotor (13) et sur la portion du stator (15), sous le revêtement abradable.
  7. Turbomachine (1) d’aéronef comprenant un module selon l’une des revendications 5 ou 6.
  8. Procédé de réalisation d’un revêtement abradable selon l’une des revendications 1 à 4, comprenant les étapes consistant en:
    • un mélange d’une poudre d’un composé minéral dont la dureté Mohs est inférieure ou égale à 6 et dont la température de fusion est supérieure à 450°C et d’une poudre d’un composé polymérique,
    • une formation d’un revêtement abradable à partir dudit mélange de poudres, le composé polymérique ayant une teneur comprise entre 40% et 70% en volume du revêtement abradable,
    • une application du revêtement abradable à l’interface entre une portion d’un rotor (13) muni d’une pluralité d’aubes mobiles (9) et une portion d’un stator (15) d’un module de turbomachine.
  9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel la formation du revêtement abradable est réalisée par projection thermique à simple ou double injection, par extrusion, ou par moulage à chaud.
  10. Procédé selon l’une des revendications 8 ou 9, dans lequel l’application du revêtement abradable est réalisée par collage au moyen d’un film de colle ou par injection directe entre la portion du rotor (13) et la portion du stator (15).
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