FR3138451A1 - Procédé d’application de revêtement et aube de turbine avec revêtement appliqué suivant ce procédé - Google Patents
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Abstract
Procédé d’application de revêtement et aube de turbine avec revêtement appliqué suivant ce procédé La présente invention concerne un procédé d’application de revêtement sur un substrat (100) en superalliage à base de nickel, ainsi qu’une aube de turbine en superalliage à base de nickel avec un revêtement appliqué suivant ce procédé. Le procédé d’application de revêtement comprend au moins une première étape de dépôt chimique en phase vapeur, pour déposer du chrome et/ou du cobalt sur une surface du substrat (100), et une deuxième étape de dépôt chimique en phase vapeur, après diffusion au moins partielle, dans une couche sous-jacente (102) du substrat (100), du chrome et/ou du cobalt déposés lors de la première étape de dépôt chimique en phase vapeur, pour déposer de l’aluminium sur la couche sous-jacente (102) du substrat (100). Figure pour l’abrégé : Fig. 4.
Description
Le présent exposé concerne un procédé d’application de revêtement sur un substrat en superalliage à base de nickel, ainsi qu’une aube de turbine en superalliage à base de nickel avec un revêtement appliqué suivant ce procédé. On entend, par superalliage à base de nickel, un superalliage dont le pourcentage massique en nickel est majoritaire. On comprend que le nickel est donc l’élément dont le pourcentage massique est le plus élevé.
Il est connu d’utiliser des superalliages à base de nickel pour les parties chaudes de turbines à gaz pour moteurs d’avion ou d’hélicoptère et notamment pour la fabrication d’aubes monocristallines fixes ou mobiles.
Ces matériaux ont pour principaux avantages de combiner à la fois une résistance au fluage élevée à haute température ainsi qu’une résistance à l’oxydation et à la corrosion.
Au cours du temps, les superalliages à base de nickel pour aubes monocristallines ont subi d’importantes évolutions de composition chimique, dans le but notamment d’améliorer leurs propriétés en fluage à haute température tout en conservant une résistance à l’environnement très agressif dans lesquels ces superalliages sont utilisés. Ces superalliages comprennent une matrice austénitique de structure cubique à faces centrées, solution solide à base de nickel, dite phase gamma (« γ »), avec des précipités de phase durcissante gamma prime (« γ’ ») de structure cubique ordonnée L12de type Ni3Al. L’ensemble (matrice et précipités) est donc décrit comme un superalliage γ/γ’. En général, à température ambiante, ces superalliages contiennent une forte proportion de précipités de phase γ’, environ 60 à 70% massique.
Par ailleurs, des revêtements métalliques adaptés à ces superalliages ont été développés afin d’augmenter leur résistance à l’environnement agressif dans lequel ils sont utilisés, notamment la résistance à l’oxydation et la résistance à la corrosion. De plus, un revêtement céramique de faible conductivité thermique, remplissant une fonction de barrière thermique, peut être ajouté pour réduire la température à la surface du métal.
Typiquement, un système de protection complet comporte au moins deux couches. La première couche, aussi appelée sous-couche ou couche de liaison, est directement déposée sur la pièce à protéger en superalliage à base de nickel, aussi appelée substrat, par exemple une aube. L’étape de dépôt est suivie d’une étape de diffusion de la sous-couche dans le superalliage. Le dépôt et la diffusion peuvent également être réalisés lors d’une seule étape. Les matériaux généralement utilisés pour réaliser cette sous-couche comprennent des alliages métalliques aluminoformeurs de type MCrAlY (M = Ni (nickel) ou Co (cobalt)) ou un mélange de Ni et de Co, Cr = chrome, Al = aluminium et Y = yttrium, ou des alliages de type aluminiure de nickel (NixAly), certains contenant également du platine (NixAlyPtz). La deuxième couche, généralement appelée barrière thermique ou « TBC » conformément à l’acronyme anglais pour « Thermal Barrier Coating », est un revêtement céramique comprenant par exemple de la zircone yttriée, aussi appelée « YSZ » conformément à l’acronyme anglais pour « Yttria Stabilized Zirconia » ou « YPSZ » conformément à l’acronyme anglais pour « Yttria Partially Stabilized Zirconia » et présentant une structure poreuse. Cette couche peut être déposée par différents procédés, tels que l’évaporation sous faisceau d’électrons (« EB-PVD » conformément à l’acronyme anglais pour « Electron Beam Physical Vapor Deposition »), la projection thermique (« APS » conformément à l’acronyme anglais pour « Atmospheric Plasma Spraying » ou « SPS » conformément à l’acronyme anglais pour « Suspension Plasma Spraying »), ou tout autre procédé permettant d’obtenir un revêtement céramique poreux à faible conductivité thermique.
Du fait de l’utilisation de ces matériaux à haute température, par exemple de 650°C à 1250°C, il se produit des phénomènes d’inter-diffusion à l’échelle microscopique entre le superalliage à base de nickel du substrat et l’alliage métallique de la sous-couche. Ces phénomènes d’inter-diffusion, associés à l’oxydation de la sous-couche, modifient notamment la composition chimique, la microstructure et par conséquent les propriétés mécaniques de la sous-couche dès la fabrication du revêtement, puis pendant l’utilisation de l’aube dans la turbine. Ces phénomènes d’inter-diffusion modifient également la composition chimique, la microstructure et par conséquent les propriétés mécaniques du superalliage du substrat sous le revêtement. Dans les superalliages très chargés en éléments réfractaires, notamment en rhénium, il peut ainsi se former dans le superalliage sous la sous-couche une zone de réaction secondaire (ZRS) sur une profondeur de plusieurs dizaines, voire centaines, de micromètres. Les caractéristiques mécaniques de cette ZRS sont nettement inférieures à celles du superalliage du substrat. La formation de ZRS est indésirable car elle conduit à une réduction significative de la résistance mécanique du superalliage en facilitant l’initiation de fissures aux joints de grains et interfaces, ce qui est d’autant plus critique au niveau des parois minces des aubes de turbine.
Afin d’éviter ce problème, des procédés ont été proposés, notamment dans les fascicules de demande de brevet français FR 3 201 643 A1 et FR 3 113 260 A1 pour appliquer par dépôt physique en phase vapeur, sur des superalliages à base de nickel, des revêtements protecteurs plus compatibles avec les teneurs élevées en rhénium. Toutefois, il peut être difficile d’utiliser ces procédés pour l’application d’un tel revêtement protecteur dans des cavités internes de faibles dimensions, telles que par exemple les canaux de refroidissement des aubes de turbine, qui peuvent pourtant aussi être exposées à la corrosion et à l’oxydation.
Un premier aspect du présent exposé concerne un procédé d’application de revêtement, utilisable même à l’intérieur de cavités de faibles dimensions, et permettant de protéger un substrat en superalliage à base de nickel de l’oxydation et de la corrosion même dans des environnements agressifs, et notamment aux très hautes températures, sans pour autant affaiblir mécaniquement ce substrat.
Pour cela, le procédé suivant ce premier aspect comprend au moins une première étape de dépôt chimique en phase vapeur, pour déposer du chrome et/ou du cobalt sur une surface du substrat, et une deuxième étape de dépôt chimique en phase vapeur, après diffusion au moins partielle, dans une couche sous-jacente du substrat, du chrome et/ou du cobalt déposés lors de la première étape de dépôt chimique en phase vapeur, pour introduire de l’aluminium jusque dans ladite couche sous-jacente du substrat.
La diffusion du chrome et/ou cobalt dans la couche sous-jacente du substrat après son dépôt chimique en phase vapeur permet de modifier la microstructure du superalliage dans cette couche sous-jacente, et notamment d’en déplacer le rhénium susceptible de former une zone de réaction secondaire. Le dépôt subséquent d’aluminium permet d’augmenter la concentration d’aluminium dans cette couche sous-jacente, pour éventuellement atteindre entre 5 et 12 % en masse lors de la deuxième étape de dépôt chimique en phase vapeur, et former ainsi un revêtement alumino-formeur de structures de phase β ou combinant des phases β, γ et γ’. Ce revêtement permet d’offrir une bonne protection environnementale au substrat en superalliage, et cela même dans des passages de dimensions restreintes, comme par exemple des canaux de refroidissement avec une largeur de l’ordre de la centaine de micromètres. Le dépôt chimique en phase vapeur permet aussi d’atteindre avec ce traitement des interstices d’accès difficile.
Le superalliage à base de nickel sujet à ce procédé d’application de revêtement peut comprendre au moins 3 % massique de rhénium. Le rhénium permet en effet de ralentir la diffusion des espèces chimiques au sein du superalliage et de limiter la coalescence des précipités de phase γ’ en cours de service à haute température, pour ainsi améliorer la résistance du superalliage au fluage à haute température, mais présente l’inconvénient de faciliter, avec des revêtements conventionnels, la formation de zones de réaction secondaire avec le revêtement, dans une couche sous-jacente. Avec le procédé de dépôt de revêtement suivant le premier aspect, il est possible d’éviter cet inconvénient du rhénium dans le superalliage à base de nickel.
La première étape de dépôt chimique en phase vapeur peut former une couche superficielle avec une épaisseur d’entre 5 et 20 µm. Cette épaisseur permet d’obtenir une protection satisfaisante contre la corrosion et l’oxydation sans encombrer indûment des canaux de refroidissement étroits.
Lors de la deuxième phase de dépôt chimique, l’aluminium peut être dopé avec du silicium et/ou au moins une terre rare, comme par exemple le hafnium, l’yttrium ou le zirconium, afin d’augmenter encore la tenue à l’oxydation.
Pour la première et/ou la deuxième étape de dépôt chimique en phase vapeur il est notamment envisageable d’utiliser un quelconque parmi les procédés de dépôt chimique en phase vapeur amélioré par plasma (en anglais : « Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition » ou PECVD), dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (en anglais : « Low Pressure Chemical Vapor Deposition » ou LPCVD), dépôt chimique en phase vapeur sous vide ultra-élevé (en anglais : « Ultra-High Vacuum Chemical Vapor Deposition » ou UHVCVD) et dépôt chimique en phase vapeur de couche atomique (en anglais : « Atomic Layer Chemical Vapor Deposition » ou ALCVD). En particulier, la première et/ou la deuxième étape de dépôt chimique en phase vapeur peuvent être des dépôts chimiques en phase vapeur à basse pression, s’effectuant ainsi à une température d’entre 900 et 1150°C, par exemple d’entre 1000 et 1100°C, et à une pression d’entre 2 et 50 kPa. Plus particulièrement, la première étape de dépôt chimique en phase vapeur peut s’effectuer à une température d’entre 1040 et 1060°C et à une pression d’entre 5 et 20 kPa ou à une pression d’entre 15 et 25 kPa, de préférence entre 18 et 22 kPa, tandis que la deuxième étape de dépôt chimique en phase vapeur s’effectue à une température d’entre 1050 et 1070°C et à une pression d’environ 20 kPa.
Un deuxième aspect du présent exposé concerne une aube de turbine en superalliage à base de nickel avec un revêtement appliqué suivant le procédé du premier aspect. En particulier, cette aube peut comporter un ou plusieurs canaux de refroidissement, et le revêtement être appliqué à l’intérieur des canaux de refroidissement, ce qui est facilité par l’utilisation d’étapes de dépôt chimique en phase vapeur.
Un troisième aspect du présent exposé concerne une turbomachine comprenant l’aube de turbine suivant le deuxième aspect. La turbomachine peut notamment être un turboréacteur à soufflante (en anglais : « turbofan »). D’autres types de turbomachine, comme par exemple un turbopropulseur, un turbomoteur, ou un turboréacteur à simple flux (en anglais : « turbojet »).
Les caractéristiques et avantages précités, ainsi que d'autres, apparaîtront à la lecture de la description suivante de modes de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux figures annexées.
Les superalliages monocristallins à base de nickel sont constitués de précipités γ’ Ni3(Al, Ti, Ta) dispersés dans une matrice γ de structure cubique à faces centrées, solution solide à base de nickel, et présentent des propriétés mécaniques, en particulier à haute température, qui en font des candidats intéressants pour la fabrication de pièces monocristallines destinées aux parties chaudes des turboréacteurs. Ces superalliages peuvent notamment avoir des concentrations de rhénium égales ou supérieures à 3 % massique afin de ralentir la diffusion des espèces chimiques au sein du superalliage et de limiter la coalescence des précipités de phase γ’ en cours de service à haute température, phénomène qui entraîne une réduction de la résistance mécanique. Le rhénium permet ainsi d’améliorer la résistance au fluage à haute température du superalliage à base de nickel. On compte notamment, parmi les superalliages à base de nickel aussi riches en rhénium, le CMSX-4 Plus Mod C ®, CMSX-10 ®, et MC-NG. Ces alliages présentent les compositions suivantes, où le complément à 100 % est constitué par du nickel et des impuretés inévitables:
| Alliage | Re | Ru | Co | Mo | Cr | W | Al | Ti | Ta | Nb | Hf | Si |
| CMSX-4 Plus Mod C | 4,8 | - | 10 | 0,6 | 3,5 | 6 | 5,7 | 0,85 | 8 | - | 0,1 | - |
| CMSX-10 | 6 | - | 3 | 0,4 | 2 | 5 | 5,7 | 0,2 | 8 | 0,1 | 0,03 | - |
| MC-NG | 4 | 4 | - | 1 | 4 | 5 | 6 | 0,5 | 5 | - | 0,1 | 0,1 |
En particulier, ces superalliages à base de nickel peuvent être destinés à la fabrication d’aubes monocristallines par un procédé de solidification dirigée dans un gradient thermique. L’utilisation d’un germe monocristallin ou d’un sélecteur de grain en début de solidification permet d’obtenir cette structure monocristalline, orientée par exemple selon une direction cristallographique <001> qui est l’orientation qui confère, en général, les propriétés mécaniques optimales aux superalliages.
La représente, en coupe selon un plan vertical passant par son axe principal A, un turboréacteur à soufflante 10. Un tel turboréacteur à soufflante 10 peut comporter, d’amont en aval selon la circulation du flux d’air, une soufflante 12, un compresseur basse pression 14, un compresseur haute pression 16, une chambre de combustion 18, une turbine haute pression 20, et une turbine basse pression 22.
La turbine haute pression 20 peut comprendre une pluralité d’aubes 20A tournant avec le rotor et des aubes 20B fixes, appelées aussi redresseurs, montées sur le stator. Le stator de la turbine 20 peut comprendre une pluralité d’anneaux 24 de stator disposés en vis-à-vis des aubes tournantes 20A de la turbine 20.
On peut donc fabriquer une aube 20A, 20B pour turbomachine comprenant un superalliage à base de nickel. Néanmoins, malgré la bonne tenue de ces superalliages aux hautes températures, celles régnant au sein des parties chaudes de turbomachines peuvent nécessiter le refroidissement des aubes 20A, 20B. Pour assurer ce refroidissement, une telle aube 20A, 20B peut comporter des cavités internes, notamment sous la forme de canaux de refroidissement 21, pour permettre la circulation d’un fluide de refroidissement tel que, par exemple, de l’air prélevé sur les compresseurs 14, 16. La largeur des canaux de refroidissement 21 est toutefois restreinte par la forme et les dimensions de ces aubes 20A, 20B, et peut être de l’ordre du dixième de millimètre, c’est-à-dire de la centaine de micromètres.
Afin de protéger de l’oxydation et de la corrosion la surface du superalliage autour de ces cavités, un revêtement peut être appliqué sur cette surface suivant un procédé comprenant deux étapes consécutives de dépôt chimique en phase vapeur. Ces deux étapes consécutives peuvent être réalisées dans le même dispositif de dépôt chimique en phase vapeur. Dans une première étape de dépôt chimique en phase vapeur, du chrome peut être déposé, par exemple à une température d’entre 1040 et 1060°C et à une pression d’entre 15 et 25 kPa, de préférence entre 18 et 22 kPa, sur la surface de ce substrat 100 en superalliage à base de nickel, comme illustré sur la , pour former une couche superficielle 101, superposée au substrat 100, avec une épaisseur e1de, par exemple, entre 5 et 20 µm. Du cobalt peut toutefois être déposé alternativement ou en complément au chrome lors de cette première étape de dépôt chimique en phase vapeur.
Le chrome et/ou cobalt déposés pendant la première étape de dépôt chimique en phase vapeur peuvent ensuite se diffuser dans le substrat 100, pour y former une couche sous-jacente 102, riche en chrome et/ou cobalt et pauvre en rhénium. Ainsi, après une première étape de dépôt chimique de chrome en phase vapeur sur un substrat 100 en superalliage CMSX-4 Plus Mod C ® et la diffusion subséquente de ce chrome dans la couche sous-jacente 102, cette couche sous-jacente 102, pouvant avoir une épaisseur e2normalement inférieure à l’épaisseur initiale e1de la couche superficielle 101 avant la diffusion, comme illustré sur la , peut présenter une composition, en pourcentages massiques, de 40 à 55 % de nickel, 10 à 30 % de chrome, 7 à 8 % de cobalt, 1 à 2 % d’aluminium, et pratiquement aucun rhénium, celui-ci ayant été déplacé de cette couche sous-jacente 102 par le chrome. Cette diffusion peut notamment être facilitée par un traitement thermique, par exemple à une température supérieure à 1000°C et une pression d’entre 10-3et 10-4Pa jusqu’à 4 heures ou sous une pression partielle d’un gaz neutre tel que l’Argon d’entre 0,1 à 1 Pa pendant 2 à 4h. Pendant ce traitement thermique, bien que des éléments de la couche sous-jacente 102 du substrat 100 peuvent aussi remonter vers la couche superficielle 101 pendant ce traitement thermique pour y remplacer du cuivre et/ou du cobalt diffusé vers la couche superficielle, l’épaisseur de la couche superficielle 101 peut diminuer sensiblement.
La diffusion du chrome et/ou du cobalt dans la couche sous-jacente 102 peut être suivie de la deuxième étape de dépôt chimique en phase vapeur. Dans cette deuxième étape de dépôt chimique en phase vapeur, qui peut prendre la forme d’une aluminisation de type « flash », par exemple à une température d’entre 1050 et 1070°C et à une pression d’environ 20 kPa pendant une durée d’entre 30 et 60 minutes, de l’aluminium peut être introduit jusque dans la couche sous-jacente 102, comme illustré sur la , où il pourra atteindre une concentration de 5 à 12 % massique. Dans la couche superficielle 101, la concentration de l’aluminium pourrait même atteindre jusqu’à 20%. Cet aluminium dans les couches superficielle 101 et sous-jacente 102 pourra ensuite, en service, former de l’alumine, contribuant ainsi à protéger les autres éléments d’alliage. Dans la deuxième étape de dépôt physique en phase vapeur, l’aluminium peut être déposé pur ou dopé avec du silicium et/ou une ou plusieurs terres rares, comme par exemple le hafnium, l’yttrium ou le zirconium, qui pourront ainsi atteindre chacun des concentrations massiques de, par exemple 0,5 à 2% dans les couches superficielle 101 et sous-jacente 102.
Il est envisageable que la pièce formant le substrat 100 soit extraite, avant la deuxième étape de dépôt chimique en phase vapeur, d’une enceinte dans laquelle la première étape de dépôt chimique a été effectuée, notamment si lesdites première et deuxième étapes de dépôt chimique en phase vapeur doivent être effectuées dans deux enceintes différentes pour répondre à des contraintes industrielles. Dans ce cas, le traitement thermique pour la diffusion, vers la couche sous-jacente 102, du chrome et/ou du cobalt déposés lors de la première étape de dépôt chimique en phase vapeur pourrait être effectué dans une enceinte servant à la deuxième étape de dépôt chimique en phase vapeur, pendant sa montée en température préalable à la mise en œuvre de la deuxième étape de dépôt chimique en phase vapeur.
Alternativement toutefois, les première et deuxième étapes de dépôt chimique en phase vapeur pourraient être effectuées dans une même enceinte, maintenue à la température et à la pression requises pendant le temps approprié pour le traitement thermique servant à la diffusion, dans l’intervalle entre les première et deuxième étapes de dépôt chimique en phase vapeur.
Quoique le présent exposé ait été décrit en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En outre, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation évoqués peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.
Claims (11)
- Procédé d’application de revêtement sur un substrat (100) en superalliage à base de nickel, le procédé comprenant au moins :
une première étape de dépôt chimique en phase vapeur, pour déposer du chrome et/ou du cobalt sur une surface du substrat (100), et
une deuxième étape de dépôt chimique en phase vapeur, après diffusion au moins partielle, dans une couche sous-jacente (102) du substrat (100), du chrome et/ou du cobalt déposés lors de la première étape de dépôt chimique en phase vapeur, pour introduire de l’aluminium jusque dans ladite couche sous-jacente (102) du substrat (100). - Procédé suivant la revendication 1, dans lequel le superalliage à base de nickel comprend au moins 3 % massique de rhénium.
- Procédé suivant l’une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel la première étape de dépôt chimique en phase vapeur forme une couche superficielle (101) avec une épaisseur (e1) d’entre 5 et 20 µm.
- Procédé suivant l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l’aluminium atteint une concentration d’entre 5 et 12% massique dans ladite couche sous-jacente (102) lors de la deuxième étape de dépôt chimique en phase vapeur.
- Procédé suivant l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel, lors de la deuxième phase de dépôt chimique, l’aluminium est dopé avec du silicium et/ou au moins une terre rare.
- Procédé suivant l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la première et/ou la deuxième étape de dépôt chimique en phase vapeur s’effectuent à une température d’entre 900 et 1150°C et à une pression d’entre 2 et 50 kPa.
- Procédé suivant l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la première étape de dépôt chimique en phase vapeur s’effectue à une température d’entre 1040 et 1060°C et à une pression d’entre 15 et 25 kPa, de préférence entre 18 et 22 kPa.
- Procédé suivant l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la deuxième étape de dépôt chimique en phase vapeur s’effectue à une température d’entre 1050 et 1070°C et à une pression d’environ 20 kPa.
- Aube de turbine (20A, 20B) en superalliage à base de nickel avec un revêtement appliqué suivant le procédé de l’une quelconque des revendications 1 à 8.
- Aube de turbine (20A, 20B) suivant la revendication 9, comportant un ou plusieurs canaux de refroidissement (21), et dans laquelle le revêtement est appliqué à l’intérieur des canaux de refroidissement (21).
- Turbomachine comprenant l’aube de turbine (20A, 20B) de l’une quelconque des revendications 9 ou 10.
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- 2022-07-28 FR FR2207780A patent/FR3138451A1/fr active Pending
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- 2023-07-21 WO PCT/FR2023/051143 patent/WO2024023428A1/fr unknown
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| WO2024023428A1 (fr) | 2024-02-01 |
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