WO2017093648A1 - Secteur annulaire hybride à revêtement de protection tolérant à la touche - Google Patents

Secteur annulaire hybride à revêtement de protection tolérant à la touche Download PDF

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annular sector
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dense
annular
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Julien GURT SANTANACH
Fabrice Crabos
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Safran Helicopter Engines
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    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the present invention relates to the general field of stators for gas turbine engine. It is more precisely the coatings which are deposited on the inner surface of an annular sector forming a stator surrounding the rotor of the engine.
  • a particular field of application of the invention is that of the turbines of an aeronautical engine (particularly aircraft or helicopter).
  • An aircraft engine turbine includes a turbine ring formed of a one-piece annular structure or a plurality of contiguous ring sectors that surround a set of rotating blades driven by the combustion gases.
  • This object is achieved by a method of obtaining comprising: machining an annular sector with a predetermined geometry having a cavity connecting with said trailing and leading edges by respective inclined planes,
  • porous protective coating and said dense protective coating are made from the same porous or dense ceramic having different microstructures.
  • said porous protective coating forming said central portion consists mainly of zirconia, BSAS or rare earth silicates and has a porosity of between 25% and 50% (with pores between 5 and 50 ⁇ m in size) and said dense protective coating forming said peripheral portions consists mainly of zirconia, BSAS or rare earth silicates and has a porosity of 15% or less (with pores less than 5 ⁇ m in size).
  • the zirconia is doped with yttrium, gadolinium, dysprosium or any other zirconia stabilizer in the quadratic or cubic phase.
  • the application of said dense protective coating or said porous protective coating is carried out by thermal spraying, sintering or sol-gel process.
  • FIG. 1 is a schematic view of a rotor-stator assembly incorporating an annular stator sector according to the invention
  • FIGS. 2A-2D show the various steps necessary for producing the annular stator sector of FIG. 1; and FIG. 3 is a schematic view of a rotor-stator assembly incorporating an annular stator sector of the prior art.
  • the invention is applicable to any rotor-stator assembly for a gas turbine engine in which the top of the rotor comes into contact with the inner surface of an annular sector forming part of the stator surrounding the rotor.
  • FIG. 1 is a diagrammatic sectional view of an example of application of the invention in which the rotor consists of rotary blades 2 of a turbojet high-pressure turbine and the stator is a monoblock turbine ring or formed of a plurality of annular sectors 4, 6, 8 contiguous surrounding the vanes and at each of which are defined, in the direction of flow of gases as illustrated by the arrow, a trailing edge 6A and an edge of attack 6B of the considered sector.
  • the clearance (exaggerated at the end of the representation) between the inner surface of the annular turbine sector 6 and the top of the blades 2 is zero or almost zero.
  • the inner surface of the annular sector 6 in contact with the air stream comprises on the one hand a porous protective coating 10 formed of a ceramic material having a porosity of between 25% and 50% ( preferably 25 to 30%) with pores of size between 5 and 50 pm and secondly a dense protective coating 12 also formed of a ceramic material but having a porosity rate equal to or less than 15% ( preferentially equal to 10%) with pores less than 5 ⁇ m in size.
  • a porous protective coating 10 formed of a ceramic material having a porosity of between 25% and 50% ( preferably 25 to 30%) with pores of size between 5 and 50 pm
  • a dense protective coating 12 also formed of a ceramic material but having a porosity rate equal to or less than 15% ( preferentially equal to 10%) with pores less than 5 ⁇ m in size.
  • the pores are preferably distributed homogeneously throughout the thickness of the layers.
  • the protective coating will also have to function as a thermal barrier or an environmental barrier.
  • a ceramic consisting of primarily (i.e., at least 80% of the coating composition) of zirconia which can be advantageously doped (with yttrium, gadolinium, dysprosium, or any other stabilizer of zirconia in the quadratic or cubic phase) and whereas in the second case (environmental barrier of composite material), a ceramic based on barium strontium aluminosilicate (BSAS) or rare earth silicates (yttrium, dysprosium, etc.) is preferably chosen.
  • BSAS barium strontium aluminosilicate
  • rare earth silicates yttrium, dysprosium, etc.
  • the porous and dense protective coatings 12 are therefore made from the same porous or dense ceramic having different microstructures.
  • the zirconia layer, BSAS or rare earth silicates constituting the dense coating has a pore size which is less than 5 Mm so as to guarantee the highest possible mechanical properties (hardness and resistance to thermal shock) and to favor the erosion resistance of the coating, while the zirconia layer, BSAS or rare earth silicates constituting the porous coating has a pore size of between 5 and 50 ⁇ m and a controlled porosity so as to guarantee performance abradability.
  • composition of the zirconia powder forming these coatings is not necessarily strictly identical for the two coatings.
  • the first step is illustrated in FIG. 2A and consists in machining an annular sector 6 with a predetermined geometry comprising a cavity 60 whose width is at least equal to the width of the blade facing which is of the order of 5 to 25 mm, the connection of this cavity with the trailing edges 6A and etching 6B of the sector being effected by respective inclined planes 62, 64.
  • the depth of this cavity is related to the thicknesses of the coatings 10, 12 desired.
  • the dense protective coating 12 is applied to the surface of the annular sector 6, this application thus taking place both in the cavity 60, on the inclined planes 62, 64 and on the trailing edges 6A and attack 6B of the sector.
  • This application can be performed conventionally by thermal spraying of an agglomerated powder preferably containing a blowing agent and a solid lubricant if necessary. It is also possible to use a thermal projection of a suspension of nanoscale powder which promotes the obtaining of a finer microstructure. However, a sinter deposition of powders having a submicron microstructure with or without solid pore-forming agent and lubricant is also conceivable.
  • the dense coating layer preferably has a hardness between 70 and 95 HR15Y (surface hardness index Rockwell), which ensures sufficient erosion resistance.
  • this porous coating layer 10 advantageously has an elastic modulus of between 4 and 10 GPa. Such values give the coating better resistance to thermal shock.
  • a thermal or environmental barrier coating for aeronautical engines to increase the operating temperature while reducing the game without risking a significant wear of the vanes of the turbine in case of touch and this having a coating that will not erode below the required potential.
  • a homogeneous behavior on all key conditions namely tangential speed, incursion speed and temperature is obtained with a surface condition after satisfactory machining.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Manufacture Of Motors, Generators (AREA)
  • Coating By Spraying Or Casting (AREA)

Abstract

L'invention concerne un procédé d'obtention d'un secteur annulaire de stator (6) ayant un bord de fuite (6A) et un bord d'attaque (6B) et comprenant à sa surface interne un revêtement de protection, procédé comportant :. l'usinage du secteur annulaire avec une géométrie prédéterminée comportant une cavité (60) se raccordant avec les bords de fuite et d'attaque par des plans inclinés respectifs (62, 64),. l'application d'un revêtement de protection dense (12) à la surface du secteur annulaire ainsi usiné,. l'application d'un revêtement de protection poreux (10) sur le revêtement de protection dense ainsi appliqué,. l'usinage du secteur annulaire ainsi recouvert du revêtement de protection poreux jusqu'à faire apparaître le revêtement de protection dense au niveau des bords d'attaque et bords de fuite du secteur annulaire définissant ainsi sur la surface interne du secteur annulaire deux zones de revêtement de porosité différente, l'une sur une partie centrale du secteur annulaire et l'autre sur des parties périphériques de part et d'autre de cette partie centrale.

Description

Secteur annulaire hybride à revêtement de protection tolérant à la touche
Arrière-plan de l'invention
La présente invention se rapporte au domaine général des stators pour moteur à turbine à gaz. Elle vise plus précisément les revêtements qui sont déposés sur la surface interne d'un secteur annulaire formant stator entourant le rotor du moteur.
Un domaine particulier d'application de l'invention est celui des turbines d'un moteur aéronautique (notamment d'avion ou d'hélicoptère).
Une turbine de moteur aéronautique comprend un anneau de turbine formé d'une structure annulaire monobloc ou d'une pluralité de secteurs d'anneaux jointifs qui entourent un ensemble d'aubes rotatives mues par les gaz de combustion.
Afin d'assurer le meilleur rendement possible d'un moteur aéronautique, il est à la fois nécessaire d'augmenter la température des gaz et d'éviter ou au moins de limiter au minimum les fuites de ces gaz entre les sommets des aubes et la surface en regard du secteur annulaire de turbine, lesquelles fuites ne contribuent pas au fonctionnement du moteur. La recherche d'une absence de jeu ou d'un jeu minimum fait que des contacts peuvent être inévitables entre les sommets des aubes et le matériau situé en vis-à-vis (on parle de tolérance à la touche). En raison de la dureté habituelle de ce matériau, de tels contacts peuvent être destructeurs vis-à-vis des sommets d'aube.
Pour répondre à ces deux problématiques et comme le montre la figure 3, il est connu de mettre en place sur la surface interne des secteurs annulaires 20 en vis-à-vis des aubes 22 de turbine et pour en éviter l'usure, un revêtement fortement abradable 24 en matériau poreux, de type céramique à base de Zircone, BSAS ou silicates de terres rares qui aura également une fonction de barrière thermique ou environnementale vis à vis du matériau support (métal ou composite à matrice céramique) formant le secteur.
La nature d'un tel revêtement à base d'oxydes lui donne la possibilité d'être utilisé à haute température (supérieure à 1100°C) car il conserve ses propriétés physiques. Ce revêtement est également réputé pour être facile à réaliser, de faible coût (dépôt par projection thermique) et présente, lorsqu'il est poreux, de bonnes propriétés d'abradabilité. Toutefois, ce revêtement abradable poreux ne montre pas un comportement de résistance à l'érosion suffisant pour garantir le fonctionnement du système jusqu'au potentiel envisagé pour les moteurs actuels, le revêtement étant dégradé et les jeux ouverts avant que celui-ci n'ait atteint le niveau de performance souhaité. En effet, le bord d'attaque du secteur comme le bord de fuite sont des zones soumises à une importante érosion, résultant notamment de la présence de discontinuités au niveau de la surface de la veine lors du changement de secteur dans le sens de l'écoulement des gaz. Un secteur doit donc résister à l'érosion en plus de résister à la température, aux sollicitations mécaniques, au cyclage thermique, du fait notamment des importantes vitesses de gaz rencontrées dans les moteurs actuels les plus performants.
Il existe donc aujourd'hui un besoin de pouvoir disposer d'un revêtement sur la surface interne des secteurs annulaires de turbine qui ne présente pas tous les inconvénients précités.
Objet et résumé de l'invention
La présente invention a donc pour but de fournir un secteur annulaire de stator de turbine ayant un bord de fuite et un bord d'attaque et comprenant à sa surface interne un revêtement de barrière thermique ou environnementale tolérant à la touche et présentant en outre un comportement particulièrement performant, en matière d'érosion comme à haute température, tout en étant de faible coût à réaliser.
Ce but est atteint grâce à un procédé d'obtention comportant : . l'usinage d'un secteur annulaire avec une géométrie prédéterminée comportant une cavité se raccordant avec lesdits bords de fuite et d'attaque par des plans inclinés respectifs,
. l'application d'un revêtement de protection dense à la surface dudit secteur annulaire ainsi usiné,
. l'application d'un revêtement de protection poreux sur ledit revêtement de protection dense ainsi appliqué,
. l'usinage dudit secteur annulaire ainsi recouvert dudit revêtement de protection poreux afin de faire apparaître ledit revêtement de protection dense au niveau desdits bords d'attaque et bords de fuite dudit secteur annulaire définissant ainsi sur ladite surface interne du secteur annulaire deux zones de revêtement de porosité différente, l'une sur une partie centrale dudit secteur annulaire et l'autre sur des parties périphériques de part et d'autre de cette partie centrale.
Ainsi, en positionnant des revêtements différents sur différentes zones de la surface du secteur annulaire en contact avec la veine d'air, une céramique dense dans les zones en bord de secteur ou l'érosion est importante et une céramique poreuse dans la zone abradable en face des aubes, la performance globale de la surface est améliorée.
Avantageusement, dans lequel ledit revêtement de protection poreux et ledit revêtement de protection dense sont réalisés à partir d'une même céramique poreuse ou dense ayant des microstructures différentes.
De préférence, ledit revêtement de protection poreux formant ladite partie centrale est constitué principalement de zircone, BSAS ou silicates de terres rares et possède un taux de porosité compris entre 25% et 50% (avec des pores de taille comprise entre 5 et 50pm) et ledit revêtement de protection dense formant lesdites parties périphériques est constitué principalement de zircone, BSAS ou silicates de terres rares et possède un taux de porosité égal ou inférieur à 15% (avec des pores de taille inférieure à 5pm).
Avantageusement, la zircone est dopée à l'yttrium, au gadolinium, au dysprosium ou à tout autre stabilisant de la zircone en phase quadratique ou cubique.
De préférence, l'application dudit revêtement de protection dense ou dudit revêtement de protection poreux est effectuée par projection thermique, par frittage ou par procédé sol-gel.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures :
- la figure 1 est une vue schématique d'un ensemble rotor-stator intégrant un secteur annulaire de stator conforme à l'invention ;
- les figures 2A-2D montrent les différentes étapes nécessaire à la réalisation du secteur annulaire de stator de la figure 1 ; et - la figure 3 est une vue schématique d'un ensemble rotor-stator intégrant un secteur annulaire de stator de l'art antérieur.
Description détaillée de l'invention
L'invention s'applique à tout ensemble rotor-stator pour moteur à turbine à gaz dans lequel le sommet du rotor vient en contact avec la surface interne d'un secteur annulaire formant partie du stator entourant le rotor.
La figure 1 représente en coupe de façon schématique un exemple d'application de l'invention dans lequel le rotor est constitué d'aubes rotatives 2 d'une turbine haute-pression de turboréacteur et le stator est un anneau de turbine monobloc ou formé d'une pluralité de secteurs annulaires 4, 6, 8 jointifs entourant les aubes et au niveau de chacun desquels sont définis, selon le sens d'écoulement des gaz tel qu'illustré par la flèche, un bord de fuite 6A et un bord d'attaque 6B du secteur considéré. Dans un tel ensemble rotor-stator, le jeu (exagéré à fin de représentation) entre la surface interne du secteur annulaire 6 de turbine et le sommet des aubes 2 est nul ou quasi-nul.
Selon l'invention, la surface interne du secteur annulaire 6 en contact avec la veine d'air comporte d'une part un revêtement de protection poreux 10 formé d'un matériau céramique possédant un taux de porosité compris entre 25% et 50% (préférentiel lement de 25 à 30%) avec des pores de taille comprise entre 5 et 50 pm et d'autre part un revêtement de protection dense 12 formé aussi d'un matériau céramique mais possédant un taux de porosité égal ou inférieur à 15% (préférentiellement égal à 10%) avec des pores de taille inférieure à 5 pm. On notera que dans chacun des deux revêtements, les pores sont de préférence répartis de manière homogène dans toute l'épaisseur des couches.
Selon la nature du matériau support, soit un matériau support métallique de type superalliage à base de nickel ou cobalt soit un matériau support composite à matrice céramique, le revêtement de protection devra aussi assurer une fonction de barrière thermique ou de barrière environnementale. Dans le premier cas (barrière thermique de matériau métallique), on choisira de préférence une céramique constituée principalement (c'est-à-dire à au moins 80% de la composition du revêtement) de zircone pouvant être avantageusement dopée (à ryttrium, au gadolinium, au dysprosium, ou à tout autre stabilisant de la zircone en phase quadratique ou cubique) et alors que dans le second cas (barrière environnementale de matériau composite), on choisira de préférence une céramique à base de baryum strontium aluminosilicate (BSAS) ou de silicates de terres rares (yttrium, dysprosium, etc.).
Les revêtements de protection poreux 10 et dense 12 sont donc réalisés à partir d'une même céramique poreuse ou dense ayant des microstructures différentes. En effet, la couche de zircone, BSAS ou silicates de terres rares constituant le revêtement dense possède une taille des pores qui est inférieure à 5 Mm de manière à garantir des propriétés mécaniques (dureté et résistance aux chocs thermiques) les plus élevées possible et favoriser la résistance à l'érosion du revêtement, tandis que la couche de zircone, BSAS ou silicates de terres rares constituant le revêtement poreux présente une taille des pores qui est comprise entre 5 et 50 pm et une porosité contrôlée de façon à garantir des propriétés d'abradabilité performantes.
On notera que la composition de la poudre de zircone formant ces revêtements n'est pas nécessairement strictement identique pour les deux revêtements. Ainsi, on pourra par exemple ajouter des agents stabilisés dans l'une ou l'autre des poudres.
En liaison avec les figures 2A à 2D, on décrira maintenant le procédé de réalisation d'un secteur annulaire conforme à l'invention.
La première étape est illustrée à la figure 2A et consiste à usiner de secteur annulaire 6 avec une géométrie prédéterminée comportant une cavité 60 dont la largeur est au moins égale à la largueur de l'aube en regard qui est de l'ordre de 5 à 25 mm, le raccord de cette cavité avec les bords de fuite 6A et d'attaque 6B du secteur s'effectuant par des plans inclinés respectifs 62, 64. La profondeur de cette cavité est liée aux épaisseurs des revêtements 10, 12 souhaités.
Dans la deuxième étape de la figure 2B, il est procédé à l'application du revêtement de protection dense 12 à la surface du secteur annulaire 6, cette application s'effectuant donc à la fois dans la cavité 60, sur les plans inclinés 62, 64 et sur les bords de fuite 6A et d'attaque 6B du secteur. Cette application peut être effectuée de façon classique par projection thermique d'une poudre agglomérée contenant de préférence un agent porogène et un lubrifiant solide si besoin. On peut également recourir à une projection thermique d'une suspension de poudre nanométrique qui favorise l'obtention d'une microstructure plus fine. Toutefois, un dépôt par frittage de poudres ayant une microstructure submicronique avec ou sans agent porogène et lubrifiant solide est aussi envisageable. Le frittage permet un contrôle accru de la microstructure par la mise en forme du dépôt à une température inférieure à la température de fusion de la céramique. En particulier, la microstructure pourra être conservée fine et la porosité pourra être contrôlée tant dans son homogénéité que dans sa taille et sa répartition. Une fois achevée, la couche de revêtement dense présente de préférence une dureté comprise entre 70 et 95 HR15Y (indice de dureté Rockwell superficielle), ce qui permet de garantir une résistance à l'érosion suffisante.
Cette application est répétée à l'étape suivante de la figure 2C avec le revêtement de protection poreux 10 qui vient donc recouvrir entièrement le revêtement de protection dense 12.
Les méthodes d'application envisageables, projection ou frittage, sont semblables aux précédentes. Toutefois, on pourra encore recourir à un procédé sol-gel pour déposer la couche de revêtement poreux. Une fois achevée, cette couche de revêtement poreux 10 présente avantageusement un module élastique compris entre 4 et 10 GPa. De telles valeurs confèrent au revêtement une meilleure résistance aux chocs thermiques.
II ne reste plus alors, dans une étape finale illustrée à la figure
2D, qu'à réaliser un usinage ou une rectification de surface du secteur annulaire 6 jusqu'à faire apparaître le revêtement de protection dense sur les bords d'attaque et bords de fuite du secteur annulaire définissant ainsi à la surface interne du secteur annulaire deux zones de revêtement de porosité différente, l'une sur une partie centrale de ce secteur en regard de l'aube 2 correspondant au revêtement de protection poreux 10 et l'autre sur des parties périphériques, de part et d'autre de cette partie centrale, au niveau des bords de fuite et d'attaque de ce secteur correspondant au revêtement de protection dense 12. La largeur de l'aube ne représentant qu'une partie de la largeur du secteur, de l'ordre de 10 à 80% la zone où le besoin d'abradabilité est nécessaire est de fait relativement limitée.
Ainsi, avec l'invention, il est possible d'utiliser un revêtement formant barrière thermique ou environnementale pour des moteurs aéronautiques permettant d'augmenter la température de fonctionnement tout en réduisant le jeu sans risquer une usure importante des aubes de la turbine en cas de touche et ceci en ayant un revêtement qui ne s'érodera pas en deçà du potentiel demandé. De plus, un comportement homogène sur l'ensemble des conditions de touche (à savoir vitesse tangentielle, vitesse d'incursion et température) est obtenu avec un état de surface après usinage satisfaisant.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé d'obtention d'un secteur annulaire de stator (6) ayant un bord de fuite (6A) et un bord d'attaque (6B) et comprenant à sa surface interne un revêtement de protection, procédé comportant :
. l'usinage d'un secteur annulaire (6) avec une géométrie prédéterminée comportant une cavité (60) se raccordant avec lesdits bords de fuite et d'attaque par des plans inclinés respectifs (62, 64),
. l'application d'un revêtement de protection dense (12) à la surface dudit secteur annulaire ainsi usiné,
. l'application d'un revêtement de protection poreux (10) sur ledit revêtement de protection dense ainsi appliqué,
. l'usinage dudit secteur annulaire ainsi recouvert dudit revêtement de protection poreux jusqu'à faire apparaître ledit revêtement de protection dense au niveau desdits bord d'attaque et bord de fuite dudit secteur annulaire définissant ainsi sur ladite surface interne du secteur annulaire deux zones de revêtement de porosité différente, l'une sur une partie centrale dudit secteur annulaire et l'autre sur des parties périphériques de part et d'autre de cette partie centrale.
2. Procédé d'obtention d'un secteur annulaire selon la revendication 1, dans lequel ledit revêtement de protection poreux et ledit revêtement de protection dense sont réalisés à partir d'une même céramique poreuse ou dense ayant des microstructures différentes.
3. Procédé d'obtention d'un secteur annulaire selon la revendication 2, dans lequel ledit revêtement de protection poreux formant ladite partie centrale est constitué principalement de zircone, de BSAS ou de silicate de terres rares et possède un taux de porosité compris entre 25% et 50%.
4. Procédé d'obtention d'un secteur annulaire selon la revendication 3, dans lequel ledit revêtement de protection poreux comporte des pores de taille comprise entre 5 et 50 pm.
5. Procédé d'obtention d'un secteur annulaire selon la revendication 2, dans lequel ledit revêtement de protection dense formant lesdites parties périphériques est constitué principalement de zircone, de BSAS ou de silicate de terres rares et possède un taux de porosité égal ou inférieur à 15%.
6. Procédé d'obtention d'un secteur annulaire selon la revendication 5, dans lequel ledit revêtement de protection dense comporte des pores de taille inférieure à 5 pm.
7. Procédé d'obtention d'un secteur annulaire selon la revendication 3 ou la revendication 5, dans lequel la zircone est dopée à 1'yttrium, au gadolinium, au dysprosium ou à tout autre stabilisant de la zircone en phase quadratique ou cubique.
8. Procédé d'obtention d'un secteur annulaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel l'application dudit revêtement de protection dense ou dudit revêtement de protection poreux est effectuée par projection thermique, par frittage ou par procédé sol-gel.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1253294A2 (fr) * 2001-04-28 2002-10-30 ALSTOM (Switzerland) Ltd Joint d'étanchéité pour viroles des turbines à gaz
GB2397307A (en) * 2003-01-20 2004-07-21 Rolls Royce Plc Abradable Coatings
FR2979664A1 (fr) * 2011-09-01 2013-03-08 Snecma Paroi stator de turbomachine recouverte d'un revetement abradable a faible rugosite aerodynamique

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