FR3158748A1 - Procédé de dépôt d'un revêtement abrasif sur un sommet d'aube de turbine d'aéronef - Google Patents

Procédé de dépôt d'un revêtement abrasif sur un sommet d'aube de turbine d'aéronef

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FR3158748A1
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Serge Georges Vladimir SELEZNEFF
Camille ESTOURNES
Claude Gilbert Jean-Pierre Estournes
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Safran SA
Universite de Toulouse
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Safran SA
Universite Toulouse III Paul Sabatier
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Abstract

Procédé de dépôt d’un revêtement abrasif sur un sommet d’aube de turbine d’aéronef L’invention concerne un procédé de dépôt d’un revêtement abrasif sur un sommet d’aube (1) de turbine d’aéronef, le sommet d’aube étant en métal ou en céramique. Le procédé comprend : - une étape de positionnement d’un moule de frittage sur le sommet d’aube (1), - une étape de recouvrement d’une surface du sommet d’aube (2) délimitée par le moule de frittage par une couche externe abrasive (5) comprenant une matrice (6) à base métallique ou céramique et des particules abrasives (7), et - une étape de frittage à haute température réalisée sur la couche externe abrasive (5) pour former un sommet d’aube (1) recouvert par le revêtement abrasif. Figure pour l’abrégé : Fig. 1.

Description

Procédé de dépôt d’un revêtement abrasif sur un sommet d’aube de turbine d’aéronef
L’invention concerne le domaine général de l’aéronautique et plus particulièrement un procédé de dépôt d’un revêtement abrasif sur un sommet d’aube de turbine haute pression d'une turbomachine d’aéronef.
Il est connu de prévoir au sommet d'une aube de turbine haute pression de moteurs aéronautiques des particules abrasives noyées dans une matrice.
En cas de contact entre le rotor et le stator dans la turbine, le sommet d’aube vient à heurter la surface d'un anneau constitué d’un matériau conçu pour être sacrifié car plus mou que les particules abrasives. De cette manière, il est possible de créer, par l'action abrasive des particules sur l’anneau, un espace très réduit entre le sommet et l’anneau, minimisant ainsi les pertes de gaz. Les débits de gaz de recirculation en sommet d’aubes et les jeux radiaux entre pièces fixes et pièces mobiles formant des labyrinthes sont réduits.
Ceci permet d’améliorer le rendement du compresseur ou de la turbine haute pression d'une turbomachine et de diminuer la consommation spécifique. A titre d’exemple, la réduction du jeu de 25 µm entre le sommet de l’aube et l’anneau entraîne une réduction de la consommation spécifique estimée à 0,1 %.
On connaît du document US005702574A un revêtement abrasif à base d’inclusions de particules non oxydes c-BN dans une matrice MCrAlY (M = Ni/Co), d’épaisseur comprise entre 125 µm et 150 µm, par un procédé d’électrodéposition appliquée sur le sommet d’aubes d’étage compresseur ou d’étage haute pression d'une turbomachine composée principalement de nickel et de cobalt.
Ce revêtement abrasif présente la propriété abrasive recherchée mais le matériau abrasif à base de particules non oxydes (c-BN) utilisé se sublime progressivement aux températures de fonctionnement visée (Température supérieure à 900 °C). Ce revêtement abrasif présente ainsi une résistance à l’oxydation limitée (900°C) et son efficacité abrasive (ou de coupe) va être limitée lors de son vieillissement en température.
D’autres procédés sont également connus pour produire des revêtements abrasifs sur des sommets d’aubes réalisés un procédé de dépôt par pulvérisation détonante de la matrice, par exemple.
Cependant, aucun procédé de l’art antérieur ne permet de fournir un revêtement abrasif sur un sommet d’aube présentant une excellente résistance à l’oxydation à haute température et donc une efficacité abrasive constante au cours du temps.
L’objectif de la présente invention est de fournir une aube de turbine haute pression d'une turbomachine comprenant des sommets d’aube recouverts d’un revêtement abrasif présentant une excellente résistance à l’oxydation à haute température et une efficacité abrasive constante au cours du temps.
La présente invention concerne un procédé de dépôt d’un revêtement abrasif sur un sommet d’aube de turbine d’aéronef. Le sommet d’aube est en métal ou en céramique.
Le procédé de dépôt comprend :
  • une étape de positionnement d’un moule de frittage sur le sommet d’aube,
  • une étape de recouvrement d’une surface du sommet d’aube délimitée par le moule de frittage par une couche externe abrasive comprenant une matrice à base métallique ou céramique et des particules abrasives, et
  • une étape de frittage réalisée sur la couche externe abrasive pour former un sommet d’aube recouvert par le revêtement abrasif.
L’invention fournit ainsi une aube de turbine haute pression d'une turbomachine comprenant des sommets d’aube recouverts d’un revêtement abrasif présentant une excellente résistance à l’oxydation à haute température et une efficacité abrasive constante au cours du temps.
L’invention permet d’augmenter la durabilité des sommets d’aube de turbine haute pression, d’améliorer et de conserver dans le temps le rendement de la turbine haute pression tout en maintenant un jeu réduit entre le revêtement abrasif déposé sur les sommets d’aube et le revêtement abradable déposé sur l’anneau de turbine.
La matrice du revêtement abrasif présente une stabilité structurale à haute température vis-à-vis de la composition chimique des particules abrasives.
En variante, la couche externe abrasive est obtenue par un premier dépôt d’une couche de poudre à base métallique ou céramique pour former une matrice sous forme d’une couche de poudre et un deuxième dépôt d’une couche de poudre de particules abrasives sur la matrice.
Cette méthode permet d’obtenir un revêtement abrasif comprenant des particules abrasives sur la surface de la matrice de manière simple.
En variante, la couche externe abrasive est obtenue par un premier dépôt d’une couche de poudre à base métallique ou céramique encapsulée dans une matrice à base de liant polymère par un procédé de dépôt de fil fondu pour former une matrice sous forme de poudre encapsulée et un deuxième dépôt d’une couche de particules abrasives encapsulées dans une matrice à base de liant polymère sur la matrice par un procédé de dépôt de fil fondu.
Cette méthode permet également d’obtenir un revêtement abrasif comprenant des particules abrasives sur la surface de la matrice.
La méthode de fabrication de dépôt de fil fondu évite le rebus de pièces endommagées ou usées en permettant la réparation de celles-ci par ajout de matière localement, contribuant ainsi à réduire l’impact environnemental lié à la réparation de pièces.
En variante, la couche externe abrasive est obtenue par un premier dépôt par impression d’une couche à base métallique ou céramique pour former une matrice imprimée et un deuxième dépôt par impression de particules abrasives sur la matrice imprimée.
Cette méthode permet également d’obtenir un revêtement abrasif comprenant des particules abrasives sur la surface de la matrice.
En variante, la couche externe abrasive est obtenue par un mélange d’une poudre de particules abrasives à une matrice d’une poudre à base métallique ou céramique.
Cette méthode permet d’obtenir un revêtement abrasif comprenant des inclusions de particules abrasives en volume et en surface, c’est-à-dire à l’intérieur et à la surface de la matrice.
En variante, la couche externe abrasive est directement déposée sur la surface du sommet d’aube ou sur une sous-couche de liaison à base métallique ou céramique préalablement déposée sur la surface du sommet d’aube ou sur une couche intermédiaire à base métallique ou céramique déposée entre la sous-couche de liaison et la couche externe abrasive.
En variante, le procédé de fabrication comprend, avant l’étape de recouvrement d’une surface du sommet d’aube par la couche externe abrasive, une étape de dépôt de la couche externe abrasive dans un moule de préformage, une étape préliminaire de frittage flash réalisée sur la couche externe abrasive pour former une couche externe abrasive préformée et une étape de dépôt de la couche externe abrasive préformée dans le moule de frittage. L’étape de frittage est réalisée sur la couche externe abrasive préformée.
En variante, le rapport entre le diamètre médian des particules abrasives et l’épaisseur de la matrice est compris entre 0,6 et 0,9. La couche externe abrasive présente une épaisseur comprise entre 3 µm et 400 µm.
En variante, le rapport entre le diamètre médian des particules de la matrice et le diamètre médian des particules abrasives est compris entre 0,002 et 0,4.
En variante, l’étape de frittage est une étape de frittage flash. Lorsque la matrice est métallique et que la surface du sommet d’aube est à base de nickel, la température du four dans lequel est réalisée l’étape de frittage flash est comprise entre 700°C et 1000°C, préférentiellement compris entre 800°C et 900°C. La pression à l’intérieur du four est comprise entre 25 MPa et 125 MPa, préférentiellement entre 50 MPa et 100 MPa. Le temps de cycle est compris entre 1 minute et 60 minutes, préférentiellement compris entre 5 minutes et 10 minutes. La température du four correspond à la température à laquelle est soumis le sommet d’aube. De même, la pression à l’intérieur du four correspond à la pression appliquée sur le sommet d’aube.
En variante, l’étape de frittage est une étape de frittage flash. Lorsque la matrice est en matrice en céramique et la surface du sommet d’aube est à base de nickel, la température du four dans lequel est réalisée l’étape de frittage flash est comprise entre 900°C et 1300°C, préférentiellement comprise entre 1000°C et 1100°C. La pression à l’intérieur du four est comprise entre 25 MPa et 150 MPa, préférentiellement comprise entre 50 MPa et 100 MPa. Le temps de cycle est compris entre 1 minute et 60 minutes, préférentiellement compris entre 5 minutes et 10 minutes.
En variante, l’étape de frittage est une étape de frittage flash. Lorsque la matrice et la surface du sommet d’aube sont en céramique, la température du four dans lequel est réalisée l’étape de frittage flash est comprise entre 900°C à 1500°C, préférentiellement entre 1200°C et 1400°C. La pression à l’intérieur du four est comprise entre 25 MPa et 150 MPa, préférentiellement entre 50 MPa et 100 MPa. Le temps de cycle est compris entre 1 minute et 60 minutes, préférentiellement entre 5 minutes et 10 minutes.
La présente invention concerne également une aube de turbine d’aéronef comprenant au moins un sommet d’aube comportant un revêtement abrasif obtenu par le procédé de fabrication tel que défini précédemment.
L’invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée faite ci-après de différents modes de réalisation de l’invention donnés à titre d’exemples non limitatifs. Cette description fait référence aux figures, sur lesquelles :
FIG. 1LaFIG. 1représente schématiquement une surface de sommet d’aube recouverte d’un revêtement abrasif, selon un mode de réalisation de l’invention,
FIG. 2LaFIG. 2représente schématiquement une surface de sommet d’aube recouverte d’un revêtement abrasif, selon un autre mode de réalisation de l’invention,
FIG. 3LaFIG. 3représente schématiquement une surface de sommet d’aube recouverte d’un revêtement abrasif, selon un autre mode de réalisation de l’invention.
Les aubes de turbine haute pression de moteurs aéronautiques, en métal ou en céramique, comprennent un sommet d’aube 1 recouvert d’un revêtement abrasif comportant des particules abrasives 7 noyées dans une matrice à base métallique ou céramique 6.
En cas de contact entre le rotor et le stator dans la turbine, le sommet d’aube 1 vient à heurter la surface d'un anneau constitué d’un matériau conçu pour être sacrifié car plus mou que les particules abrasives 7. De cette manière, il est possible de créer, par l'action abrasive des particules sur l’anneau, un espace entre l'embout et l’anneau très réduit, minimisant ainsi les pertes de gaz.
L’invention concerne un procédé de dépôt du revêtement abrasif sur le sommet d’aube 1 de turbine haute pression.
De manière générale, le procédé de dépôt comprend :
  • une étape de positionnement d’un moule de frittage sur le sommet d’aube 1,
  • une étape de recouvrement d’une surface du sommet d’aube 2 délimitée par le moule de frittage par une couche externe abrasive 5 formée d’une matrice 6 à base métallique ou céramique comprenant des particules abrasives 7, et
  • une étape de frittage de la couche externe abrasive 5 pour former un sommet d’aube 1 recouvert par le revêtement abrasif.
De préférence, le procédé de dépôt est réalisé sur tous les sommets d’aube 2.
De préférence, l’étape de frittage est une étape de frittage flash réalisée à haute température (supérieure à 900°C).
Le frittage flash ou SPS (de l’anglais « Spark Plasma Sintering ») aussi appelé frittage FAST (de l’anglais « Field Assisted Sintering Technology ») est une méthode de la métallurgie des poudres. Cette technique est apparentée au pressage à chaud HP (de l’anglais « Hot Pressing ») mais ce qui la différencie, c’est le mode de chauffage des outillages contenant le matériau à fritter. En effet, dans le frittage SPS, un courant continu pulsé, présentant une forme d’onde variable selon les constructeurs, est appliqué via des électrodes à l’outillage (matrice + pistons) contenant le matériau à densifier. Cela permet de chauffer le matériau par effet Joule avec des vitesses de montée en température pouvant aller jusqu’à plusieurs centaines de degrés C/min. L’application d’une pression (allant jusqu’à plusieurs centaines de Méga Pascals sous l'action d'une presse hydraulique sur les pistons) et des chauffages ultra-rapides permettent ainsi d’abaisser les températures de frittage (par rapport aux techniques conventionnelles de frittage), de limiter les réactions/diffusions aux interfaces entre matériaux et de contrôler les microstructures des matériaux. Dans la plupart des cas, les outillages utilisés sont en graphite et le frittage est conduit sous atmosphère inerte ou sous vide.
La surface du sommet d’aube 2 forme un substrat sur lequel la couche externe abrasive 5 peut être déposée directement sur le sommet d’aube 1 si le sommet d’aube 1 et la matrice 6 de la couche externe abrasive 5 sont en métal.
Cette solution consiste à mettre en forme, en une seule étape, par le procédé de frittage flash, un revêtement à architecture multicouche et fonctionnelle présentant une propriété abrasive de par les inclusions de particules abrasives en surface ou en volume, une stabilité structurale et une durabilité élevée en oxydation cyclique en température sur un sommet d’une aube de turbine haute pression composée d’un superalliage.
En variante, le procédé de dépôt peut comprendre une étape initiale de dépôt d’une sous-couche de liaison 4 à base métallique ou céramique sur la surface du sommet d’aube 2, qu’il soit en métal ou en céramique.
La sous-couche de liaison 4 est positionnée entre la surface du sommet d’aube 2 et la couche externe abrasive 5. Le frittage flash est réalisé sur l’aube entière et donc sur la sous-couche de liaison 4 et la couche externe abrasive 5.
Si la sous-couche de liaison 4 est métallique, la matrice 6 de la couche externe abrasive 5 peut être métallique ou en céramique.
Si la sous-couche de liaison 4 est en céramique, la matrice 6 de la couche externe abrasive 5 peut être en céramique.
La sous-couche de liaison 4, dite d’accroche, peut être déposée sur la surface du sommet d’aube 2 par projection thermique, dépôt physique en phase vapeur, aluminisation en phase vapeur, frittage flash, dépôt par barbotine suivi d’un traitement thermique de consolidation ou tout autre procédé de dépôt compatible.
L’épaisseur de la sous-couche de liaison 4 est comprise entre 1 µm et 200 µm, de préférence entre 25 µm et 150 µm.
La sous-couche de liaison 4 permet une bonne accroche des couches supérieures sur la surface du sommet d’aube 2.
En variante, le procédé de dépôt comprend au moins une étape de dépôt d’une couche intermédiaire 3 en céramique entre la sous-couche de liaison 4 et la couche externe abrasive 5. La couche intermédiaire 3 est déposée sur la sous-couche de liaison 4.
La couche intermédiaire 3 permet en outre d’assurer de bonnes performances en termes de durée de vie en oxydation cyclique et choc thermique.
La couche intermédiaire 3 peut être déposée par projection thermique, dépôt physique en phase vapeur, aluminisation en phase vapeur, frittage flash, dépôt par barbotine suivi d’un traitement thermique de consolidation ou tout autre procédé de dépôt compatible.
La couche intermédiaire 3 présente une épaisseur comprise entre 1 µm et 250 µm, préférentiellement entre 50 µm et 150 µm.
Les particules abrasives 7 comprennent des oxydes choisis parmiµ
α-Al2O3, ZrO2- 4,5 % molaire ≤ RE2O3avec RE = Sc, Y, La, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dyn Ho, Er, Tm et Tb, Y2O3-ZrO2-Ta2O5, Y2O3-ZrO2-Nb2O5, ZrO2-Al2O3, MgAl2O4et HfO2- 4,5 % molaire ≤ RE2O3avec RE = Sc, Y, La, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dyn Ho, Er, Tm et Tb.
En variante, les particules abrasives 7 comprennent des éléments non oxyde choisis parmi SiC, Si3N4, ZrC, B4C ou un mélange d’oxydes et de composants non oxyde.
Les particules abrasives 7 présentent une morphologique ou forme aciculaire (angulaire et anguleuse).
Selon un mode de réalisation, la matrice 6 et les particules abrasives 7 sont déposés sous forme de poudre avant le frittage flash.
Un premier dépôt d’une poudre comprenant des composés à base métallique ou céramique est réalisé pour former une matrice 6 sous forme d’un lit ou couche de poudre et un deuxième dépôt de poudre de particules abrasives 7 est réalisé sur la couche de poudre formant la matrice 6.
Selon un mode de réalisation, la couche externe abrasive 5 sous forme de poudre est directement déposée dans le moule de frittage, sur la surface du sommet d’aube 2 délimitée par le moule de frittage. Le moule de frittage présente des dimensions et une géométrie adaptée au sommet de l’aube de turbine à fonctionnaliser. L’aube de turbine est fixée dans le moule de frittage.
Les lits ou couches de poudre sont déposés successivement, de manière homogène dans le moule de frittage par dépôt par gravité des particules à l’aide d’un tamis, de façon manuelle ou automatisée, par exemple.
Les particules abrasives 7 sont déposées sur la surface de la matrice 6 sous la forme d’une fine couche d’oxyde présentant une épaisseur strictement inférieur 2 µm afin de conserver la stabilité chimique et structurale avec la matrice 6 au cours du vieillissement en température.
On obtient des inclusions de particules abrasives 7 sur la surface de la couche externe abrasive 5.
Le diamètre médian des particules abrasives 7 est compris entre 0,1 µm et 400 µm, préférentiellement entre 0,1 µm et 250 µm.
Quelle que soit la nature de la matrice 6 (céramique ou métallique) de la couche externe abrasive 5, la poudre utilisée doit présenter une granulométrie fine et resserrée afin de permettre de favoriser l’enchâssement et l’adhérence des particules abrasives 7 en surface et en volume.
Le diamètre médian des particules de la matrice 6 (céramique ou métallique) est compris entre 0,1 µm et 20 µm, préférentiellement entre 0,5 µm et 10 µm.
Le choix du diamètre médian des particules de la matrice est réalisé en tenant compte que le rapport entre le diamètre médian des particules de la matrice et le diamètre médian des particules abrasives doit être compris entre 0,002 et 0,4.
Ceci permet d’augmenter l’enchâssement et l’adhérence des particules abrasives 7 dans la matrice 6. L’utilisation de particules fines et anguleuses augmente davantage l’enchâssement et l’adhérence.
L’épaisseur de la matrice 6 contenant les inclusions de particules abrasives 7 est sélectionnée en fonction de la taille des particules abrasives 7 utilisées, plus précisément en fonction du diamètre médian des particules abrasives 7.
Pour le choix de l’épaisseur de la matrice 6, il est tenu compte du rapport entre le diamètre médian des particules abrasives 7 et l’épaisseur de la matrice 6 qui doit être compris entre 0,6 et 0,9.
La couche externe abrasive 5 présente une épaisseur comprise entre 3 µm et 400 µm.
Ceci permet d’adapter l’épaisseur de la matrice 6 en fonction du diamètre médian des particules abrasives 7 afin d’obtenir une bonne durabilité du revêtement abrasif tout en conservant de bonnes propriétés abrasives.
Selon un mode de réalisation, la couche externe abrasive 5 est obtenue par un premier dépôt d’une couche de poudre à base métallique ou céramique encapsulée dans une matrice à base de liant polymère par un procédé de dépôt de fil fondu, formant une matrice 6 sous forme d’une couche de poudre encapsulée, et un deuxième dépôt d’une couche de particules abrasives 7 encapsulées dans une matrice à base de liant polymère sur la matrice 6 sous forme d’une couche de poudre encapsulée par un procédé de dépôt de fil fondu.
Les poudres sont dispersées et encapsulées dans une matrice à base de liant polymère qui se décompose au cours du traitement thermique, lors du frittage flash, libérant ainsi les particules encapsulées. Cette méthode permet de mieux contrôler l’épaisseur de la couche de matériau déposée.
Selon un autre mode de réalisation, la couche externe abrasive 5 est obtenue par un premier dépôt par impression d’une couche à base métallique ou céramique et un deuxième dépôt par impression de particules abrasives 7 sur la couche à base métallique ou céramique.
Le taux de recouvrement surfacique des particules abrasives 7 est supérieur ou égal à 70 % de la surface la couche externe abrasive 5, supérieur ou égal à 80% de la surface la couche externe abrasive 5, supérieur ou égal à 90% de la surface la couche externe abrasive 5 et encore plus préférentiellement de 100%, après consolidation par le procédé de frittage flash.
La densification de la surface de la couche externe abrasive 5 est supérieure à 95 %, préférentiellement supérieure à 98 %.
Selon un autre mode de réalisation, la couche externe abrasive 5 est obtenue par un mélange d’une poudre comprenant des composés à base métallique ou céramique destinée à former la matrice 6 à une poudre de particules abrasives 7 pour obtenir des inclusions de particules abrasives 7 en volume, c’est-à-dire à l’intérieur et à la surface de la matrice 6.
Le mélange des poudres peut être réalisé par un agitateur tridimensionnel, comme celui de la marque Turbula®, par exemple.
Le taux de charge massique de particules abrasives 7 dans la matrice 6 est compris entre 20 % et 90 % de la masse totale, avantageusement entre 30 % et 70 % de la masse totale.
Le mélange de poudres est déposé de manière homogène dans le moule de frittage par dépôt par gravité des particules à l’aide d’un tamis, de façon manuelle ou automatisée, par exemple.
En variante, le mélange de poudres est dispersé et encapsulé dans une matrice à base de liant/polymère puis déposé par un procédé de dépôt de fil fondu dans le moule de frittage soit directement sur la surface du sommet d’aube 2 ou sur la sous-couche de liaison 4.
La matrice liant/polymère de la couche externe abrasive 5 se décompose au cours du traitement thermique lors du frittage flash, libérant ainsi les particules encapsulées.
Selon un autre mode de réalisation, la couche externe abrasive 5 est obtenue par un dépôt par impression d’un mélange de poudre à base métallique ou céramique et de poudre de particules abrasives 7 directement sur la surface du sommet d’aube 2 ou sur la sous-couche de liaison 4.
Le taux de recouvrement surfacique des particules abrasives 7 est supérieur ou égal à 70 % de la couche externe abrasive 5 après consolidation par le procédé de frittage flash.
La densification de la couche présentant les inclusions volumiques de particules abrasives est supérieure à 95 %, préférentiellement supérieur à 98 %.
Dans le cas d’une matrice 6 métallique avec les inclusions de particules 7, une finition de surface par action mécanique (sablage) ou par attaque chimique (dissolution) peut être appliquée afin de faire ressortir en surface les particules abrasives 7.
Selon un mode de réalisation, le sommet d’aube est en métal et composé d’un superalliage sélectionné parmi les superalliages à base de Ni ou de Co, par exemple. Le sommet d’aube peut être composé d’un superalliage AM1 bas souffre, MC-NG, CMSX4 et dérivés ou René et dérivés, par exemple.
Comme dit ultérieurement, une ou plusieurs couches intermédiaires 3 peuvent être déposées sur la sous-couche de liaison 4.
En variante, les couches intermédiaires 3 et la sous-couche de liaison 4 peuvent être déposées sous forme de poudre. Une étape de frittage est de préférence réalisée pour chaque couche.
Les n couches intermédiaires 3 peuvent être de même composition chimique que la sous-couche de liaison sous-couche de liaison 4.
La ou les couches intermédiaires 3 et la sous-couche de liaison 4 peuvent être de type métallique comme un alliage MCrAlY (M=Ni, Co, Ni/Co), un aluminure de nickel dopé ou non par un élément ternaire (ex :Pt), un aluminure de nickel type β-NiAl (modifiés ou non par du Pt, Hf, Zr, Y, Si ou des combinaisons de ces éléments), un aluminure d’alliages γ-Ni-γ’-Ni3Al (modifiée ou non par du Pt, Cr, Hf, Zr, Y, Si ou des combinaisons de ces éléments), avec des phases MAX (Mn+1AXn(n=1,2,3) où M = Sc, Y, La, Mn, Re, W, Hf, Zr, Ti; A = groupes IIIA, IVA, VA, VIA ; X = C,N), par exemple.
Une première couche intermédiaire 3 recouvrant directement la sous-couche de liaison 4 peut comprendre une matrice céramique sélectionnée parmi la zircone yttriée partiellement stabilisée, la zircone partiellement stabilisée par une ou plusieurs terres rares (La->Yb), l’hafnium partiellement stabilisé par une ou plusieurs terres rares (La->Yb), la zircone yttriée dopée par du tantale ou du niobium.
La première couche intermédiaire 3 permet en outre d’assurer de bonnes performances en termes de durée de vie en oxydation cyclique et choc thermique. La première couche intermédiaire 3 présente une épaisseur de 1 µm à 1000 µm, préférentiellement de 1 µm à 100 µm.
Les couches intermédiaires additionnelles à matrice céramique déposées sur la première couche intermédiaire 3 peuvent être soit de même composition chimique que la première couche intermédiaire 3, soit de compositions chimiques différentes permettant une protection environnementale contre les dépôts d’oxyde de type CMAS (CaO-MgO-Al2O3-SiO2).
Les couches intermédiaires additionnelles formant des couches de protection environnementale comprennent des composés choisis parmi les zirconates de terre rare RE2Zr2O7(RE= Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Yb, Dy, Ho, Er, Tm, Tb, Lu), les zircones partiellement/totalement stabilisées et éventuellement dopées, les phases delta A4B3O12(A = Y → Lu et B = Zr, Hf), les spinelles MgAl2O4, les composites incluant Y2O3avec ZrO2et/ou Al2O3et/ou TiO2, les hexa-aluminates, des pérovskites complexe, les spinelles, les mono- et di-silicates de terres rares (terre rare = Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu), ainsi que toute autre composition anti-CMAS et des mélanges de toutes celles-ci.
L’étape de frittage flash est réalisée sur l’aube entière et donc sur l’empilement de couches formé par la sous-couche de liaison 4, la couche intermédiaire 3 et la couche externe abrasive 5.
Dans le cas d’une matrice 6 métallique type MCrAlY lorsque la surface du sommet d’aube 2 est à base de nickel, la température du four dans lequel est réalisée l’étape de frittage flash est comprise entre 700°C et 1000°C, préférentiellement compris entre 800°C et 900°C. La pression à l’intérieur du four est comprise entre 25 MPa et 125 MPa, préférentiellement entre 50 MPa et 100MPa. Le temps de cycle est compris entre 1 minute et 60 minutes, préférentiellement compris entre 5 minutes et 10 minutes. Pour cet exemple et les autres qui suivent, la température du four correspond à la température à laquelle est soumis le sommet d’aube 1. De même, la pression à l’intérieur du four correspond à la pression appliquée sur le sommet d’aube 1.
Dans le cas d’une matrice 6 en céramique et d’une surface du sommet d’aube 2 à base de nickel, la température du four dans lequel est réalisée l’étape de frittage flash est comprise entre 900°C et 1300°C, préférentiellement comprise entre 1000°C et 1100°C. La pression dans le four est comprise entre 25 MPa et 150 MPa, préférentiellement comprise entre 50 MPa et 100MPa. Le temps de cycle est compris entre 1 minute et 60 minutes, préférentiellement compris entre 5 minutes et 10 minutes.
Le procédé de frittage flash permet de fonctionnaliser le sommet d’aube 2 par le revêtement à propriété abrasive avec un temps de cycle très court (inférieur à 60 minutes) sans altérer la microstructure initiale du superalliage monocristallin du sommet d’aube 2. Des exemples de réalisation sont donnés ci-après.
LaFIG. 1présente un exemple d’empilement bicouche à matrice métallique à base de NiCoCrAlY réalisé sur une surface de sommet d’aube 2 en superalliage monocristallin AM1 BS.
Une sous-couche de liaison 4, dite d’accroche, à base de NiCoCrAlY est déposée sur la surface de sommet d’aube 2 et présente une épaisseur de 80 µm.
La sous-couche de liaison 4 peut être déposée par projection thermique, dépôt en phase vapeur ou frittage flash, par exemple.
Une matrice 6 à base de NiCoCrAlY sous forme de poudre et destinée à former la couche externe abrasive 5 est déposée sur la sous-couche de liaison 4, par gravité.
Une couche de particules abrasives 7 d’Al2O3sous forme de poudre est déposée sur la matrice 6 à base de NiCoCrAlY, par gravité. Le rapport entre le diamètre médian des particules abrasives 7 et l’épaisseur de la matrice 6 est de 0,82 soit une épaisseur de matrice 6 de 192 µm pour un diamètre médian de particules abrasives de 160 µm. Le rapport entre le diamètre médian des particules de la matrice 6 et le diamètre médian des particules abrasives 7 est de 3,125 x 10-3.
On obtient une couche externe abrasive 5 sous forme d’un empilement de lits de poudre sur la surface de sommet d’aube 2.
Le procédé frittage flash est ensuite appliqué sur cet empilement pour former une couche externe abrasive 5 comprenant des inclusions surfaciques de d’alumine Al2O3, comme particules abrasives 7.
LaFIG. 2présente un exemple d’empilement multicouche réalisé sur une surface de sommet d’aube 2 en superalliage monocristallin AM1 BS.
L’empilement multicouche comprend une sous-couche de liaison 4 à base de NiCoCrAlY présentant une épaisseur de 80 µm, recouverte d’une couche intermédiaire 3 en zircone yttriée partiellement stabilisée présentant une épaisseur de 50 µm.
La sous-couche de liaison 4 et la couche intermédiaire 3 peuvent être déposées par projection thermique, dépôt en phase vapeur ou frittage flash, par exemple.
L’empilement multicouche comprend une couche externe abrasive 5 recouvrant la couche intermédiaire 3. La couche externe abrasive 5 comporte une matrice 6 en céramique à base de zircone yttriée partiellement stabilisée (8YPSZ) comprenant des inclusions de particules abrasives 7 ZrO2-Al2O3en volume.
La matrice 6 en céramique à base de zircone yttriée sous forme de poudre est mélangée aux particules abrasives 7 ZrO2-Al2O3selon la méthode décrite précédemment.
Le rapport entre le diamètre médian des particules abrasives 7 et l’épaisseur de la matrice 6 est de 0,77 correspondant à une épaisseur de matrice 6 de 195 µm pour un diamètre médian de particules abrasives 7 de 150 µm. Le rapport entre le diamètre médian de la matrice 6 et le diamètre médian des particules abrasives 7 est de 4,67.10-3.
Le procédé de frittage flash est ensuite appliqué sur cet empilement de couches pour former une couche externe abrasive 5 comprenant des inclusions en volume de particules abrasives 7 de ZrO2-Al2O3.
Une fine couche d’alumine 8 (e ≈ 0,5 µm) croît entre la sous-couche de liaison 4 et la couche intermédiaire 3 en zircone yttriée pendant le procédé de frittage flash par oxydation de la sous-couche de liaison 4.
LaFIG. 3présente un autre exemple d’empilement multicouche réalisé sur une surface de sommet d’aube 2 en superalliage monocristallin AM1 BS.
L’empilement multicouche comprend une sous-couche de liaison 4 à base de NiAlPt réalisée par aluminisation en phase vapeur présentant une épaisseur de 30 µm.
La sous-couche de liaison 4 est recouverte d’une couche intermédiaire 3 en zircone yttriée partiellement stabilisée présentant une épaisseur de 146 µm.
Une matrice 6 en céramique à base de zircone yttriée partiellement stabilisée (8YPSZ) sous forme de poudre et destinée à former la couche externe abrasive 5 est déposée sur la sous-couche de liaison 4, par gravité.
Une couche de particules abrasives 7 de SiC sous forme de poudre est déposée sur la matrice 6, par gravité. Le rapport entre le diamètre médian des particules abrasives et l’épaisseur de la matrice 6 est de 0,6 correspondant à une épaisseur de matrice 6 de 4 µm pour un diamètre médian de particules abrasives 7 de 2,5 µm. Le rapport entre le diamètre médian des particules de la matrice 6 et le diamètre médian des particules abrasives 7 est de 0,28.
Le procédé de frittage flash est ensuite appliqué sur cet empilement de couches pour former une couche externe abrasive 5 comprenant des inclusions en surface de particules abrasives 7 de SiC.
Une fine couche d’alumine (e ≈ 0,5 µm) croît entre la sous-couche de liaison 4 et la couche intermédiaire 3 pendant le procédé de frittage flash par oxydation de la sous-couche de liaison 4.
En variante, le procédé de dépôt peut être appliqué pour fonctionnaliser des sommets d’aubes 1 de turbine en composite de matrice céramique CMC (« Ceramic Matrix Composite » en anglais) par des revêtements à propriétés abrasives réalisés par frittage flash.
L’empilement de couches comprend une sous-couche de liaison 4 qui est à base de silicium, de silicium dopé à base de bore, de silicium dopé avec de l’oxyde d’hafnium ou des terres rares ((RE = Y, Yb, Gd)) avec ajouts de dopants (Zr, Hf, Ta, N, Al), SiAlON et Si-HfB2, SiC-HfO2ou de SiC-HfO2-HfB2.
La sous-couche de liaison 4 est mise en forme, par exemple, par dépôt par évaporation physique PVD (de l’anglais « Physical Vapor Deposition »), par projection plasma atmosphérique APS (de l’anglais « Atmospheric Plasma Solutions »), par projection à la flamme supersonique HVOF (de l’anglais « High Velocity Oxygen Fuel »), par projection plasma à basse pression LPPS (de l’anglais « Low Pressure Plasma Spraying ») ou dérivés, par projection plasma sous atmosphère inerte IPS (de l’anglais « Inert Plasma Spraying »), par dépôt par évaporation chimique CVD (de l’anglais « Chemical Vapor Deposition »), par aluminisation en phase vapeur APVS, par dépôt électrolytique, barbotine, sol-gel, frittage flash ainsi que tout autre procédé de mise en forme adapté.
L’empilement de couches comprend une ou des couches intermédiaires 3 dites couches de protection environnementale, déposées sur la sous-couche de liaison 4, est choisie parmi les disilicates de terre rare Re2Si2O7, (Re = RE= Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Yb, Dy, Ho, Er, Tm, Tb, Lu) et co-dopés, les silicates de terre rare Re2SiO5et co-dopés, l’aluminosilicate de baryum et de strontium (BSAS, (BaO)x.(SrO)1-x.Al2O3.2SiO2avec 0 ≤ x ≤ 1), les silicate de terre rare dopé hafnium, le hafnium dopé par des terres rares, la mullite, les spinelles MgAl2O4, les garnets (Y3Al5O12), les zircones partiellement/totalement stabilisées et éventuellement dopées, les phases delta A4B3O12(A = Y → Lu et B = Zr, Hf), les composites incluant Y2O3avec ZrO2et/ou Al2O3et/ou TiO2, les hexa-aluminates, des pérovskites complexe ainsi que toute autre composition de barrières environnementales et des mélanges de toutes celles-ci. Cette dernière est réalisée par frittage flash ou toute autre procédé de dépôt identique à ceux utilisés pour la sous-couche de liaison 4, tel que décrit précédemment.
La couche intermédiaire 3 présente une épaisseur comprise entre de 1 µm et 1000 µm.
L’empilement de couches comprend une couche externe abrasive 5 comprenant une matrice 6 et des particules abrasives 7 incluses dans la matrice 6 en surface et/ou en volume.
Un frittage flash est appliqué sur la couche externe abrasive 5 pour obtenir un revêtement abrasif présentant une épaisseur comprise entre 3 µm et 400 µm.
La matrice 6 céramique intégrant les particules abrasives 7 est à base de particules décrites précédemment pour le cas d’un sommet de l’aube 2 en métal.
Les particules abrasives 7 sont identiques à celle décrites pour les sommets d’aube 1 métallique.
Les différentes méthodes d’application (sous forme de poudre, de poudre encapsulée ou couche d’impression) et de réalisation de cette couche externe abrasive 5 fonctionnelle en termes d’épaisseur de matrice 6, taille de particules abrasives 7, compositions chimiques de particule abrasives 7, d’inclusions de particules 7, entre autres, sont identiques à celles décrites précédemment dans le cas d’application à des sommets d’aube 1 métallique.
Pour la consolidation par frittage flash, la température du four dans lequel est introduite l’aube avec ses sommets d’aube 1 recouverts des empilements de couches, est comprise entre 900°C à 1500°C, préférentiellement entre 1200°C et 1400°C. La pression dans le four est comprise entre 25 MPa et 150 MPa, préférentiellement entre 50 MPa et 100 MPa. Le temps de cycle est compris entre 1 minute et 60 minutes, préférentiellement entre 5 minutes et 10 minutes.
Les différentes variantes précédentes décrivent des exemples dans lesquels les couches externes abrasives 5 sont directement déposées sur la surface du sommet d’aube 2 ou sur une sous-couche de liaison 4 à base métallique ou céramique préalablement déposée sur la surface du sommet d’aube 2 ou une couche intermédiaire 3. Une seule étape de frittage flash est réalisée sur l’empilement de couches comprenant la couche externe abrasive 5.
En variante, la couche externe abrasive 5 est préalablement préformée dans un moule de préformage.
Le procédé de dépôt comprend alors une étape de dépôt d’une matrice 6 à base métallique ou céramique dans un moule de préformage et une étape de dépôt d’une couche de particules abrasives 7 pour une inclusion des particules abrasives 7 à la surface de la matrice 6. Le moule de préformage est adapté aux dimensions et à la géométrie du sommet de l’aube 2 à fonctionnaliser.
En variante, la poudre constituant la matrice 6 et la poudre de particules abrasives 7 peuvent être mélangées et déposées dans le moule de préformage pour une inclusion des particules abrasives 7 en volume, à l’intérieur de la surface de la matrice 6.
La matrice 6 et la couche de particules abrasives 7 peuvent être sous forme de poudre ou de poudre encapsulée dans une matrice à base de liant polymère par un procédé de dépôt de fil fondu ou être formées de couches imprimées.
Une étape préliminaire de frittage flash est réalisée sur la couche externe abrasive 5 dans le moule de préformage pour obtenir une couche externe abrasive préformée.
La couche externe abrasive préformée est ensuite déposée dans le moule de frittage, sur la surface du sommet d’aube 2, avant l’étape de frittage flash de la couche externe abrasive préformée.
De même que dans les exemples précédents, la surface du sommet d’aube 2 peut être recouverte par une sous-couche de liaison 4 à base métallique ou céramique préalablement déposée sur la surface du sommet d’aube 2 et telle que décrite précédemment. La sous-couche de liaison 4 peut être également recouverte par une couche intermédiaire 3.
La couche externe abrasive préformée et les autres couches éventuellement déposées sur la surface du sommet d’aube 2 subissent un deuxième frittage flash lors de l’étape de frittage flash pour former le revêtement abrasif final.
En variante, lorsque le sommet d’aube 1 est métallique, la couche externe abrasive 5 peut être préformée sur un lit de poudre en superalliage à base de nickel de même composition chimique que le sommet d’aube 1.
Le lit de poudre en superalliage est alors préalablement déposé dans le moule de préformage avant le dépôt de la couche externe abrasive 5 par les différentes méthodes et sous les différentes formes précédemment décrites. L’épaisseur du lit de poudre en superalliage à base de nickel est comprise entre 0,5 mm et 5 mm.
L’étape préliminaire de frittage flash est appliquée sur le lit de poudre en superalliage et la couche externe abrasive 5 pour obtenir un revêtement préformé comprenant une couche à base de superalliage recouverte par une couche externe abrasive préformée.
Le revêtement préformé est déposé sur la surface du sommet d’aube 2 et subit un deuxième frittage flash lors de l’étape de frittage flash pour former le revêtement abrasif final.
En variante, la couche externe abrasive 5 peut être préformée par un premier frittage flash sur un substrat en superalliage à base de nickel de même composition chimique que le superalliage du sommet d’aube 1 dans un moule de préformage adapté aux dimensions et à la géométrie du sommet d’aube 1 à fonctionnaliser.
Le substrat en superalliage est usiné aux dimensions et à la géométrie du sommet d’aube 1 à fonctionnaliser. L’épaisseur minimum du substrat en superalliage est comprise entre 0,5 mm et 5 mm.
Lorsque le sommet d’aube 1 est en céramique, le substrat est en céramique et est usiné aux dimensions et à la géométrie du sommet d’aube 1 à fonctionnaliser. L’épaisseur minimum du substrat en céramique est comprise entre 0,5 mm et 5 mm.
Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des modifications et des changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés/mentionnés 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.
Il est également évident que toutes les caractéristiques décrites en référence à un procédé sont transposables, seules ou en combinaison, à un dispositif, et inversement, toutes les caractéristiques décrites en référence à un dispositif sont transposables, seules ou en combinaison, à un procédé.

Claims (13)

  1. Procédé de dépôt d’un revêtement abrasif sur un sommet d’aube (1) de turbine d’aéronef, le sommet d’aube étant en métal ou en céramique, caractérisé en ce qu’il comprend :
    • une étape de positionnement d’un moule de frittage sur le sommet d’aube (1),
    • une étape de recouvrement d’une surface du sommet d’aube (2) délimitée par le moule de frittage par une couche externe abrasive (5) comprenant une matrice (6) à base métallique ou céramique et des particules abrasives (7), et
    • une étape de frittage réalisée sur la couche externe abrasive (5) pour former un sommet d’aube (1) recouvert par le revêtement abrasif.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche externe abrasive (5) est obtenue par un premier dépôt d’une couche de poudre à base métallique ou céramique pour former une matrice (6) sous forme d’une couche de poudre et un deuxième dépôt d’une couche de poudre de particules abrasives (7) sur la matrice (6).
  3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche externe abrasive (5) est obtenue par un premier dépôt d’une couche de poudre à base métallique ou céramique encapsulée dans une matrice à base de liant polymère par un procédé de dépôt de fil fondu pour former une matrice (6) sous forme de poudre encapsulée et un deuxième dépôt d’une couche de particules abrasives (7) encapsulées dans une matrice à base de liant polymère sur la matrice (6) par un procédé de dépôt de fil fondu.
  4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche externe abrasive (5) est obtenue par un premier dépôt par impression d’une couche à base métallique ou céramique pour former une matrice (6) imprimée et un deuxième dépôt par impression de particules abrasives (7) sur la matrice (6) imprimée.
  5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche externe abrasive (5) est obtenue par un mélange d’une poudre de particules abrasives (7) à une matrice (6) d’une poudre à base métallique ou céramique.
  6. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la couche externe abrasive (5) est directement déposée sur la surface du sommet d’aube (2) ou sur une sous-couche de liaison (4) à base métallique ou céramique préalablement déposée sur la surface du sommet d’aube (2) ou sur une couche intermédiaire (3) à base métallique ou céramique déposée entre la sous-couche de liaison (4) et la couche externe abrasive (5).
  7. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu’il comprend avant l’étape de recouvrement d’une surface du sommet d’aube (2) par la couche externe abrasive (5), une étape de dépôt de la couche externe abrasive (5) dans un moule de préformage, une étape préliminaire de frittage flash réalisée sur la couche externe abrasive (5) pour former une couche externe abrasive préformée et une étape de dépôt de la couche externe abrasive préformée dans le moule de frittage, l’étape de frittage étant réalisée sur la couche externe abrasive préformée.
  8. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le rapport entre le diamètre médian des particules abrasives (7) et l’épaisseur de la matrice (6) est compris entre 0,6 et 0,9, la couche externe abrasive (5) présentant une épaisseur comprise entre 3 µm et 400 µm.
  9. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le rapport entre le diamètre médian des particules de la matrice (6) et le diamètre médian des particules abrasives (7) est compris entre 0,002 et 0,4.
  10. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l’étape de frittage est une étape de frittage flash, lorsque la matrice (6) est métallique et que la surface du sommet d’aube (2) est à base de nickel, la température du four dans lequel est réalisée l’étape de frittage flash est comprise entre 700°C et 1000°C, préférentiellement compris entre 800°C et 900°C, la pression à l’intérieur du four étant comprise entre 25 MPa et 125 MPa, préférentiellement entre 50 MPa et 100MPa, le temps de cycle étant compris entre 1 minute et 60 minutes, préférentiellement compris entre 5 minutes et 10 minutes.
  11. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l’étape de frittage est une étape de frittage flash, lorsque la matrice (6) est en matrice (6) en céramique et la surface du sommet d’aube (2) est à base de nickel, la température du four dans lequel est réalisée l’étape de frittage flash est comprise entre 900°C et 1300°C, préférentiellement comprise entre 1000°C et 1100°C, la pression dans le four étant comprise entre 25 MPa et 150 MPa, préférentiellement comprise entre 50 MPa et 100MPa, le temps de cycle étant compris entre 1 minute et 60 minutes, préférentiellement compris entre 5 minutes et 10 minutes.
  12. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l’étape de frittage est une étape de frittage flash, lorsque la matrice (6) et la surface du sommet d’aube (2) sont en céramique, la température du four dans lequel est réalisée l’étape de frittage flash est comprise entre 900°C à 1500°C, préférentiellement entre 1200°C et 1400°C, la pression dans le four étant comprise entre 25 MPa et 150 MPa, préférentiellement entre 50 MPa et 100 MPa, le temps de cycle étant compris entre 1 minute et 60 minutes, préférentiellement entre 5 minutes et 10 minutes.
  13. Aube de turbine d’aéronef comprenant au moins un sommet d’aube (1), caractérisée en ce que le sommet d’aube (1) comprend un revêtement abrasif obtenu par le procédé tel que défini selon l’une quelconque des revendications 1 à 12.
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