WO2011001117A1 - Revêtement de protection thermique pour une pièce de turbomachine et son procédé de réalisation - Google Patents

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ceramic
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Laurent Paul Dudon
Claude Marcel Mons
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Definitions

  • the invention relates to a thermal protection coating, in particular for a part of a turbomachine such as a turboprop or an airplane turbojet, and a method for producing this coating.
  • a certain number of parts must be protected or isolated from a heat input either from a flow of hot gases generated in the turbomachine, or from neighboring parts worn themselves at high speeds. temperature. It is therefore necessary to equip these parts with thermal protection means that are compatible with the requirements specific to aircraft engines: durability, direct environmental resistance, low weight, simplicity, proven efficiency, etc.
  • thermal protection means are not added parts and instead are integrated parts to protect that already have a specific function in the aircraft engine. It is therefore not possible to use thermal protection sheets, which are effective but which constitute additional parts increasing the mass and decreasing the available space in the engine.
  • the invention therefore relates to a thermal protection coating of turbomachine parts, in particular in an aircraft engine, which does not have the aforementioned drawbacks.
  • thermal protective coating which is simple, easy and economical, which can have a relatively large thickness and has a relatively low density.
  • thermal protection coating in particular for turbomachine parts or brake discs, characterized in that it comprises at least 80% by volume of hollow ceramic microbeads distributed in a metal alloy to nickel or cobalt base.
  • This coating has a thermal conductivity less than or equal to 1W / m ° C. and its thickness can reach about 5 mm, this thickness being adjustable and to control the heat transfer.
  • Its density is less than 2000 kg / m 3 and it can be used over temperature ranges of between -50 ° C. and + 1100 ° C., depending on the metal alloy associated with the ceramic microbeads.
  • micro-ceramic balls which are derived from incinerator combustion products and have a very low cost price.
  • the resistance to heat transfer of the coating according to the invention is mainly related to the presence of hollow ceramic microbeads whose volume proportion may be greater than 90%.
  • the diameter of the micro-beads is typically between 30 and 30.
  • the metal alloy of the coating according to the invention may comprise aluminum, chromium and ytthum.
  • the invention also proposes a process for producing a thermal protection coating of the type described above, this process being characterized in that it consists in forming the thermal spray coating on the surface of a piece, a mixture of ceramic hollow micro-beads and a powder of a metal alloy based on nickel or chromium, by means of a plasma torch generating a plasma dart oriented towards the part and in which one injects simultaneously and laterally, upstream, the metal alloy powder and, downstream, the ceramic microbeads.
  • a metal alloy bonding layer having a thickness typically of between 50 and 200 ⁇ m, the alloy of the bonding layer being preferably identical to that of the thermal protection coating.
  • This bonding layer increases the roughness of the surface of the part and allows a better traction adhesion of the thermal protection coating.
  • the method may then consist in forming, on the thermal protective coating, a protective layer against erosion or against frictional wear and / or a reflective layer of protection against thermal radiation.
  • the invention also proposes a turbomachine part, such as a crankcase or a rear pod, or a brake disk in a braking system, characterized in that it comprises a thermal protection coating as described above or realized by execution of the method which has just been described.
  • FIG. 2 is a graph showing thermal expansion curves of a coating according to the invention and of the part on which this coating is deposited;
  • FIG. 3 is a schematic sectional view, on a large scale, of a part surface having a thermal protection coating according to the invention.
  • FIG. 1 schematically shows means for the formation of a thermal protection coating 10 on the surface of a part 12, in particular of a turbomachine part, these means comprising a plasma torch 14 comprising supply of plasmagene gases such as argon and hydrogen and electrical supply means, and means 16 for lateral injection of a metal powder flow and means 18 for lateral injection of a flow of ceramic hollow micro-beads, the metal powder and the ceramic microspheres being injected into a plasma dart at a distance D from the surface of the part to be coated which is of the order of 150 mm for a torch 14 of a given type.
  • a plasma torch 14 comprising supply of plasmagene gases such as argon and hydrogen and electrical supply means
  • means 16 for lateral injection of a metal powder flow and means 18 for lateral injection of a flow of ceramic hollow micro-beads, the metal powder and the ceramic microspheres being injected into a plasma dart at a distance D from the surface of the part to be coated which is of the order of 150 mm for
  • the injection positions of the metal powder and the ceramic balls are adjustable, the injection of the ceramic balls being downstream of the injection of the metal powder to take into account the difference in density of these two constituents.
  • the metal powder injected at 16 into the plasma stinger is a powder of a metal alloy such as NiAl, NiCrAl or MCrAlY, M being nickel or cobalt or nickel-cobalt, depending on the temperatures at which the piece 12 is exposed. to protect.
  • a metal alloy such as NiAl, NiCrAl or MCrAlY, M being nickel or cobalt or nickel-cobalt, depending on the temperatures at which the piece 12 is exposed. to protect.
  • alloys of the NiCrAI type for temperature ranges between -50 ° C. and + 900 ° C. and alloys of the MCrAIY type for temperature ranges of up to + 1100 ° C.
  • M being a metal.
  • Ni or Co or nickel-cobalt the hollow micro-ceramic balls injected at 18 have any composition and a mean diameter of between approximately 30 and 250 ⁇ m, these microbeads being for example of the silico-aluminous type and being recycling products such as those resulting from combustion. incinerator.
  • the mixture projected onto the surface of the part 12 comprises at least 80% by volume of ceramic micro-beads and, preferably, at least 90% by volume of these microbeads.
  • a mixture of a NiCrAl alloy and hollow ceramic microspheres is sprayed onto the surface of the part 12 using a torch 14, the metal alloy flow rate being 24 g / min. and the flow rate of ceramic micro-beads being 48 g / min.
  • the plasma torch is fed with a plasma Ar-H2 gas flow rate of between 5 and 50 liters per minute, and with an electric current of an intensity of 500A.
  • the piece 12 is formed with a coating 10 having a density of 1700 kg / m 3 which contains about 95% by volume of hollow ceramic microspheres.
  • the thermal conductivity of this coating is in the range of 0.7 to 1, 4 W / m. ° C between 20 and 800 0 C.
  • the thickness of the coating 10 is typically between 2 and 5 mm, depending temperatures at which the piece 12 is subjected.
  • the protective coating 10 has a coefficient of thermal expansion lower than that of the part 12 as can be seen from the thermal expansion curves of FIG.
  • This figure shows the curve d1 of thermal expansion of the part 12 as a function of the temperature T, and the curve d2 of thermal expansion of the coating 10.
  • the material of this coating is subjected to a temperature that is quite substantially greater than the temperature at which the part 12 is exposed.
  • the thermal protective coating has a coefficient of expansion less than that of the part 12, the thermal expansions of the part 12 and the coating 10 at the temperatures they are applied to them are substantially equal and their difference ⁇ d is relatively small.
  • the thermal protection coating 10 will not be the seat of an accumulation of tensile stresses that could cause microcracks, in the insulating coating and / or at the interface between the piece 12 and the coating 10, these microfissurations forming thermal bridges and degrading the thermal insulation.
  • the thermal protective coating 10 has an adhesion on the part 12 of between 5 and 20 MPa, depending on its content of hollow micro-beads, and a hardness of between 10 and 80 HR15Y.
  • This attachment layer 22 may be formed by thermal spraying a metal material which is preferably identical to the metal alloy of the coating 10.
  • the attachment layer 22 may have a thickness typically between 50 and 200 microns.
  • thermal protection coating 10 is sensitive to erosion, because the presence of the hollow ceramic micro-beads 24 can be formed on the coating 10 an erosion protection layer, this layer 26 being made by projection thermal of a metallic material and having a thickness typically between 50 and 150 microns, or deposit on the coating 10, by painting or by deposit electrolytic, (this coating being electroconductive), a layer of another material having anti-erosion properties.
  • the upper layer 26 may be an antifriction layer or a protective layer against frictional wear, such as for example a layer of a carbide such as WC / Co or WC / CoCr, or a layer of a standard metallic material such as NiAI or NiCrAI coated with a film of a mineral varnish resistant to high temperatures.
  • a protective layer against frictional wear such as for example a layer of a carbide such as WC / Co or WC / CoCr, or a layer of a standard metallic material such as NiAI or NiCrAI coated with a film of a mineral varnish resistant to high temperatures.
  • the upper layer 26 may have reflective properties with respect to the incident radiative spectrum.
  • the thermal protection coating 10 it is possible to deposit on the thermal protection coating 10 a layer of small thickness (for example 50 to 200 ⁇ m) of a ceramic coating such as ZrO 2 / Y 2 O 3, which can be used up to temperatures of approximately 1250 ° C.
  • a ceramic coating such as ZrO 2 / Y 2 O 3, which can be used up to temperatures of approximately 1250 ° C.
  • Such a layer makes it possible to reflect more than 40% of the radiant energy received.

Abstract

Revêtement de protection thermique en particulier d'une pièce (12) de turbomachine, déposé par projection thermique sur la surface de la pièce (12) et comprenant au moins 80% en volume de micro-billes creuses de céramique réparties dans un alliage métallique à base de nickel ou de cobalt, ce revêtement pouvant être déposé sur une couche d'accrochage (22) en alliage métallique et revêtu d'une couche (26) de protection contre l'érosion ou contre l'usure par frottement ou d'une couche réfléchissant les radiations thermiques.

Description

Revêtement de protection thermique pour une pièce de turbomachine et son procédé de réalisation
L'invention concerne un revêtement de protection thermique en particulier pour une pièce d'une turbomachine telle qu'un turbopropulseur ou un turboréacteur d'avion, et un procédé de réalisation de ce revêtement.
Dans une turbomachine telle qu'un moteur d'avion, un certain nombre de pièces doivent être protégées ou isolées d'un apport thermique provenant soit d'un flux de gaz chauds générés dans la turbomachine, soit de pièces voisines portées elles mêmes à haute température. Il faut donc équiper ces pièces de moyens de protection thermique qui sont compatibles avec les exigences propres aux moteurs d'avion : durabilité, résistance à l'environnement direct, faible poids, simplicité, efficacité prouvée, etc.
II faut également que ces moyens de protection thermique ne soient pas des pièces ajoutées et soient au contraire intégrés aux pièces à protéger qui ont déjà une fonction propre dans le moteur d'avion. On ne peut donc pas utiliser de tôles de protection thermique, qui sont efficaces mais qui constituent des pièces supplémentaires augmentant la masse et diminuant l'espace disponible dans le moteur.
D'autres solutions envisageables comprennent des revêtements isolants en mousse mais ces derniers ont une durée de vie faible et ne sont pas adaptés aux températures élevées.
Il est également connu de former sur les pièces à protéger des barrières thermiques en céramique à base de zircone, mais celles-ci ont une épaisseur limitée (moins d'un millimètre), et sont fragiles et coûteuses à réaliser.
On peut encore envisager le refroidissement de certaines pièces par une circulation d'air prélevé sur le moteur, mais cette solution dégrade les performances du moteur. L'invention a donc pour objet un revêtement de protection thermique de pièces de turbomachine, en particulier dans un moteur d'avion, qui ne présente pas les inconvénients précités.
Elle a également pour objet un revêtement de protection thermique qui soit de réalisation simple, facile et économique, qui puisse avoir une épaisseur relativement importante et qui ait une masse volumique relativement faible.
Elle propose à cet effet un revêtement de protection thermique, en particulier pour des pièces de turbomachine ou des disques de frein, caractérisé en ce qu'il comprend au moins 80% en volume de micro-billes creuses de céramique réparties dans un alliage métallique à base de nickel ou de cobalt.
Ce revêtement présente une conductibilité thermique inférieure ou égale à 1W/m.°C et son épaisseur peut atteindre 5 mm environ, cette épaisseur étant ajustable et permettant de contrôler le transfert thermique.
Sa masse volumique est inférieure à 2000 kg/m3 et il peut être utilisé sur des plages de température comprises entre -500C et +11000C, en fonction de l'alliage métallique associé aux micro-billes de céramique.
Par ailleurs, son coût est relativement faible, dans la mesure où l'on peut utiliser des micro-billes de céramique qui sont issues de produits de combustion des incinérateurs et ont un prix de revient très faible.
La résistance au transfert thermique du revêtement selon l'invention est principalement liée à la présence des micro-billes creuses de céramique dont la proportion en volume peut être supérieure à 90%.
Le diamètre des micro-billes est typiquement compris entre 30 et
250 μm.
L'alliage métallique du revêtement selon l'invention peut comprendre de l'aluminium, du chrome et de l'ytthum.
Il est disponible sous forme de poudre et peut donc être utilisé en projection thermique. L'invention propose également un procédé de réalisation d'un revêtement de protection thermique du type décrit ci-dessus, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à former le revêtement par projection thermique, sur la surface d'une pièce, d'un mélange de micro-billes creuses de céramique et d'une poudre d'un alliage métallique à base de nickel ou de chrome, au moyen d'une torche à plasma générant un dard de plasma orienté vers la pièce et dans lequel on injecte simultanément et latéralement, en amont, la poudre d'alliage métallique et, en aval, les microbilles de céramique.
Si nécessaire, on peut former d'abord sur la surface de la pièce, par projection thermique, une couche d'accrochage en alliage métallique, ayant une épaisseur comprise typiquement entre 50 et 200 μm, l'alliage de la couche d'accrochage étant de préférence identique à celui du revêtement de protection thermique.
Cette couche d'accrochage augmente la rugosité de la surface de la pièce et permet une meilleure adhérence en traction du revêtement de protection thermique.
Le procédé peut consister ensuite à former, sur le revêtement de protection thermique, une couche de protection contre l'érosion ou contre l'usure par frottement et/ou une couche réfléchissante de protection contre les radiations thermiques.
L'invention propose également une pièce de turbomachine, telle qu'un carter ou une nacelle arrière, ou un disque de frein dans un système de freinage caractérisée en ce qu'elle comprend un revêtement de protection thermique tel que décrit ci-dessus ou réalisé par exécution du procédé qui vient d'être décrit.
L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente schématiquement des moyens de réalisation d'un revêtement de protection thermique selon l'invention ;
- la figure 2 est un graphe représentant des courbes de dilatation thermique d'un revêtement selon l'invention et de la pièce sur laquelle ce revêtement est déposé ;
- la figure 3 est une vue schématique en coupe, à grande échelle, d'une surface de pièce comportant un revêtement de protection thermique selon l'invention.
On a représenté schématiquement en figure 1 des moyens pour la formation d'un revêtement 10 de protection thermique à la surface d'une pièce 12, en particulier d'une pièce de turbomachine, ces moyens comprenant une torche à plasma 14 comprenant des moyens d'amenée de gaz plasmagènes tels que de l'argon et de l'hydrogène et des moyens d'alimentation électrique, ainsi que des moyens 16 d'injection latérale d'un débit de poudre métallique et des moyens 18 d'injection latérale d'un débit de micro-billes creuses en céramique, la poudre métallique et les microbilles de céramique étant injectées dans un dard 20 de plasma à une distance D de la surface de la pièce à revêtir qui est de l'ordre de 150 mm pour une torche 14 d'un type donné.
Les positions d'injection de la poudre métallique et des billes de céramique sont réglables, l'injection des billes de céramique se faisant en aval de l'injection de la poudre métallique pour tenir compte de la différence de masse volumique de ces deux constituants.
La poudre métallique injectée en 16 dans le dard de plasma est une poudre d'un alliage métallique tel que NiAI, NiCrAI ou MCrAIY, M étant du nickel ou du cobalt ou du nickel-cobalt, en fonction des températures auxquelles est exposée la pièce 12 à protéger.
On peut utiliser par exemple des alliages du type NiCrAI pour des plages de températures comprises entre -500C et +9000C et des alliages du type MCrAIY pour des plages de température allant jusqu'à + 1100°C, M étant un métal tel que Ni ou Co ou du nickel-cobalt. Les micro-billes creuses de céramique injectées en 18 ont une composition quelconque et un diamètre moyen compris entre 30 et 250 μm environ, ces micro-billes étant par exemple du type silico-alumineux et étant des produits de recyclage tels que ceux issus de combustion d'incinérateur.
Le mélange projeté sur la surface de la pièce 12 comprend au moins 80% en volume de micro-billes de céramique et, de préférence, au moins 90% en volume de ces micro-billes.
Dans un exemple de réalisation, on projette à l'aide d'une torche 14 sur la surface de la pièce 12 un mélange d'un alliage NiCrAI et de microbilles creuses de céramique, le débit d'alliage métallique étant de 24 g/mn et le débit de micro-billes de céramique étant de 48 g/mn. La torche à plasma est alimentée par un débit de gaz plasmagènes Ar-H2 compris entre 5 et 50 litres par minute, et par un courant électrique d'une intensité de 500A. On forme ainsi sur la pièce 12 un revêtement 10 ayant une masse volumique de 1700 kg/m3 qui contient 95% environ en volume de microbilles creuses de céramique.
La conductibilité thermique de ce revêtement est de l'ordre de 0,7 à 1 ,4 W/m.°C entre 20 et 8000C. L'épaisseur du revêtement 10 est typiquement comprise entre 2 et 5 mm environ, en fonction des températures auxquelles la pièce 12 est soumise.
Il est intéressant que le revêtement de protection 10 ait un coefficient de dilatation thermique inférieur à celui de la pièce 12 comme on le constate à partir des courbes de dilatation thermique de la figure 2.
On a représenté sur cette figure la courbe d1 de dilatation thermique de la pièce 12 en fonction de la température T, et la courbe d2 de dilatation thermique du revêtement 10.
Lors de la formation du revêtement 10, la matière de ce revêtement est soumise à une température assez nettement supérieure à la température à laquelle est exposée la pièce 12. Toutefois, comme le revêtement de protection thermique a un coefficient de dilatation inférieur à celui de la pièce 12, les dilatations thermiques de la pièce 12 et du revêtement 10 aux températures qu'ils leur sont appliquées sont sensiblement égales et leur différence Δd est relativement faible. Ainsi, au refroidissement, le revêtement de protection thermique 10 ne sera pas le siège d'une accumulation de contraintes en traction qui seraient susceptibles de provoquer des micro-fissurations, dans le revêtement isolant et/ou à l'interface entre la pièce 12 et le revêtement 10, ces microfissurations formant des ponts thermiques et dégradant l'isolation thermique.
Cela permet de former des revêtements 10 de plus forte épaisseur sur la pièce 12 sans risque de décollement.
Typiquement, le revêtement de protection thermique 10 a une adhérence sur la pièce 12 comprise entre 5 et 20 MPa, en fonction de sa teneur en micro-billes creuses, et une dureté comprise entre 10 et 80 HR15Y.
Lorsque l'on souhaite améliorer l'adhérence du revêtement 10 sur la pièce 12 on peut, comme représenté schématiquement en figure 3, former sur la pièce 12 une couche d'accrochage qui augmente la rugosité superficielle de la pièce 12 et améliore l'adhérence du revêtement de protection thermique.
Cette couche d'accrochage 22 peut être formée par projection thermique d'un matériau métallique qui est de préférence identique à l'alliage métallique du revêtement 10. La couche d'accrochage 22 peut avoir une épaisseur comprise typiquement entre 50 et 200 μm.
Comme le revêtement 10 de protection thermique est sensible à l'érosion, du fait que la présence des micro-billes creuses de céramique 24 on peut former sur le revêtement 10 une couche de protection contre l'érosion, cette couche 26 étant réalisée par projection thermique d'un matériau métallique et ayant une épaisseur typiquement comprise entre 50 et 150 μm, ou bien déposer sur le revêtement 10, par peinture ou par dépôt électrolytique, (ce revêtement étant électroconducteur), une couche d'un autre matériau ayant des propriétés anti-érosion.
En variante, la couche supérieure 26 peut être une couche antifriction ou une couche de protection contre l'usure par frottement, comme par exemple une couche d'un carbure tel que WC/Co ou WC/CoCr, ou encore une couche d'un matériau métallique standard tel que NiAI ou NiCrAI revêtu d'un film d'un vernis minéral résistant aux hautes températures.
Lorsque la pièce 12 est dans un environnement où les radiations thermiques sont importantes, la couche supérieure 26 peut avoir des propriétés réfléchissantes par rapport au spectre radiatif incident. On peut par exemple déposer sur le revêtement 10 de protection thermique une couche de faible épaisseur (de 50 à 200 μm par exemple) d'un revêtement céramique tel que ZrO2/Y2O3, utilisable jusqu'à des températures de 12500C environ. Une telle couche permet de réfléchir plus de 40% de l'énergie radiante reçue.

Claims

REVENDICATIONS.
1. Revêtement de protection thermique, en particulier pour des pièces de turbomachine ou des disques de frein, caractérisé en ce qu'il comprend au moins 80% en volume de micro-billes creuses de céramique réparties dans un alliage métallique à base de nickel ou de cobalt.
2. Revêtement selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comprend au moins 90% en volume de micro-billes creuses de céramique.
3. Revêtement selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il a une épaisseur inférieure ou égale à 5 mm.
4. Revêtement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le diamètre des micro-billes est compris entre 30 et 250 μm.
5. Revêtement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'alliage métallique comprend de l'aluminium.
6. Revêtement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'alliage métallique comprend du chrome.
7. Revêtement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'alliage métallique comprend de l'yttrium.
8. Procédé de réalisation d'un revêtement de protection thermique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à former le revêtement (10) par projection thermique, sur la surface d'une pièce (12), d'un mélange de micro-billes creuses de céramique et d'une poudre d'un alliage métallique à base de nickel ou de cobalt, au moyen d'une torche à plasma (14) générant un dard de plasma (20) orienté vers la pièce (12) et dans lequel on injecte simultanément et latéralement, en amont, la poudre d'alliage métallique et, en aval, les microbilles de céramique.
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'on forme d'abord sur la surface de la pièce (12), par projection thermique, une couche d'accrochage (22) en alliage métallique, ayant une épaisseur comprise entre 50 et 200 μm, cet alliage étant identique à celui du revêtement (10) de protection thermique.
10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce qu'il consiste ensuite à former sur le revêtement (10) de protection thermique une couche (26) de protection contre l'érosion ou contre l'usure par frottement et/ou une couche réfléchissante de protection contre les radiations thermiques.
11. Pièce de turbomachine, telle qu'un carter ou une nacelle arrière, caractérisée en ce qu'elle comprend un revêtement de protection thermique selon l'une des revendications 1 à 7 ou réalisé par exécution du procédé selon l'une des revendications 8 à 10.
12. Disque de frein, caractérisé en ce qu'il comprend un revêtement de protection thermique selon l'une des revendications 1 à 7 ou réalisé par exécution du procédé selon l'une des revendications 8 à 10.
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