Brevet FR2467291A1 — publié le 19810417

La présente invention concerne les enveloppes de turbine et elle se rapporte plus-particulièrement à un pro- cédé de fabrication d'une enveloppe de turbine en métal et en matière céramique. Dans la demande de brevet des E.U.A. n' 84 244, on a décrit une enveloppe de turbine composite en métal et en matière céramique. Dans son principe, cette enveloppe de turbine en métal matière céramique utilise une couche d'é- tanchéité en matière céramique qui est fixée à un substrat métallique à l'aide de moyens de liaison formant une matrice mécanique tels que, par exemple, une multiplicité de tétons, ce qui permet d'obtenir une couche d'étanchéité en matière céramique qui présente des caractéristiques avantageuses de résistance aux contraintes thermiques. Bien qu'une telle structure d'enveloppe composite en métal-céramique soit satisfaisante pour de nombreuses appli- cations, il est également souhaitable de donner à une telle structure d'enveloppe composite des caractéristiques avanta- geuses d'usure par frottement. Plus particulièrement, il est souhaitable que la couche d'étanchéité en matière céramique d'une telle structure d'enveloppe s'use plus facilement que les extrémités des aubes de turbine plus coûteuses. Conformément à un mode de réalisation de la présente invention, on a mis au point un procédé de construction d'une- structure d'enveloppe de turbine. Ce procédé comporte les étapes qui consistent à former un substrat métallique et à munir le substrat métallique de moyens de liaison formant une matrice mécanique. On soumet ensuite la couche d'étan- chéité à un traitement thermique pour accroître son aptitude à l'usure par frottement et pour y former un réseau régulier de très fines fissures qui réduisent les contraintes thermi- ques dans la couche d'étanchéité en matière céramique. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement 35. figure 1, une vue isométrique représentant un mode de réalisation d'une structure d'enveloppe de turbine cons- truite conformément à la présente invention; 2467291 0 figure 2, une vue en coupe faite suivant la ligne 2-2 de la-figure I; figure 3, une représentation d'une photographie d'une couche d'étanchéité en matière céramique à base d'oxyde de zirconium traitée thermiquement conformément à un mode de réalisation de la présente invention. Sur la figure 1 à laquelle on se référera tout d'a- bord, on a représenté une structure d'enveloppe de turbine construite conformément à un mode de réalisation du procédé de la présente invention que l'on a désignée par la référence générale 10. La structure 10 d'enveloppe de turbine comporte deux rebords opposés qui comportent des rainures 12a, 14a appropriées pour être utilisées pour fixer l'enveloppe de turbine 10 à un support d'enveloppe de turbine. L'enveloppe 10 de turbine comporte un substrat métallique 16 muni de moyens de liaison formant une matrice mécanique qui peuvent être constitués par une multiplicité de tétons 16p saillant du substrat métallique 16 en direction de la surface de ré- ception des aubes de l'enveloppe. Comme plus particulièrement , représenté sur la figure 2, de tels tétons peuvent être cons- titués par des prolongements du substrat métallique 16. A - titre d'exemple des matières qui peuvent être utilisées pour la fabrication du substrat métallique 16 et des tétons 16p, on mentionnera l'alliage René 477 à base de nickel et d'al- liage M-509 ou l'alliage X-40 tous deux-à base de cobalt. Une couche de liaison intermédiaire 18 est disposée sur le substrat métallique et remplit, en partie, les'espa- ces créés par les-tétons 16p. La couche de liaison 18 peut avoir typiquement, une épaisseur comprise entre environ 0,127 mm et environ 0, 254 mm. A titre d'exemple, la couche de liaison intermédiaire peut être formée en un alliage de nickel-chrome appelé habituellement l'alliage NiCrALY, par exemple un alliage.NiCrAlY ayant une densité apparente de liaison intermédiaire 18 égale à 95-100 % de la densité absolue. On peut appliquer cette couche en utilisant la tech- nique de pulvérisation au plasma. Une seconde couche de liaison intermédiaire 19 peut 2467291: être disposée, par exemple pulvérisée au plasma, sur le des- sus de la première couche de liaison intermédiaire 18. La couche de liaison 19 peut avoir, typiquement, une épaisseur comprise entre environ 0,102 mm et environ 0,152 mm. La seconde couche de liaison intermédiaire 19 peut, par exem- ple, être constituée par un mélange des matières contenues dans la première couche intermédiaire 18 avec une matière céramique. Une couche d'étanchéité 20 en matière céramique, telle que de l'oxyde de zirconium modifié avec de l'oxyde de magnésium est disposée, par exemple pulvérisée au plasma ou frittée, sur le dessus de la seconde couche de liaison intermédiaire 19. Avec une telle couche d'étanchéité 20 en matière céramique, la seconde couche de liaison intermédiaire peut être constituée par une composition de mélange comportant environ 50 % de NiCrA1Y et 50 % d'oxyde de zirconium modifié avec de l'oxyde de magnésium. Les dimensions relatives des tétons 16p, des couches de liaison intermédiaires 18, 19, et de la couche d'étanchéité 20 en matière céramique sont choi- sies de telle sorte que les tétons 16p se prolongent au moins en partie à travers la couche d'étanchéité 20 en matière cé- ramique. Une configuration de ce type a été représentée sur les figures 1 et 2 dans lesquelles les tétons 16p se prolon- gent pratiquement complètement à travers la couche d'étanchéité en matière céramique. D'une manière générale, la présente invention a trait à un procédé de fabrication d'une enveloppe qui peut être si- milaire à l'enveloppe 10 représentée sur les figures 1 et 2 dans laquelle la couche d'étanchéité 20 en matière céramique a, dans l'ensemble, une épaisseur inférieure à environ 2,286mm et est en oxyde de zirconium modifié avec une matière telle que l'oxyde de magnésium, la couche d'étanchéité 20 en matière céramique étant susceptible de s'user par frottement et assu- rant ainsi une étanchéité satisfaisante lorsqu'elle est uti- lisée en coopération avec un aubage rotatif de turbine (non représenté). Plus particulièrement, dans un mode de réalisation du procédé de la présente invention, on soumet à un traitement 2467291! thermique de l'oxyde de zirconium cubique métastable, modi- fié avec de l'oxyde de magnésium. On a trouvé qu'en ce qui concerne les caractéristiques d'usure de la couche d'étan- chéité en matière céramique, un tel traitement thermique transforme la forme cubique métastable de l'oxyde de zirco- nium en des formes avantageuses monocliniques et tétragona- les d'oxyde de zirconium. A cet égard, on a trouvé qu'après un tel traitement thermique, la couche d'étanchéité en ma- tière céramique présentait une usure par frottement accrue par rapport aux aubes de turbine avec lesquelles elle coopère. Cette caractéristique d'usure par frottement avan- tageuse de la couche d'étanchéité en matière céramique trai- tée thermiquement peut être précisément définie comme le rapport de l'usure des aubes à l'incursion, un tel rapport représentant l'usure de. l'extrémité des aubes divisée par la profondeur totale de l'incursion entre l'enveloppe et les extrémités des aubes. Comme il est évident, les faibles rapports sont plus avantageux que les forts rapports étant donné que les faibles rapports indiquent que la couche d'é- tanchéité en matière céramique remplit sa fonction qui est de s'user par frottement tout en réduisant au minimum l'u- sure des extrémités des aubes. A cet égard, il faut bien comprendre qu'il est moins difficile, et moins onéreux, de remplacer ou réparer une couche d'étanchéité en matière cé- ramique usée que de réparer ou remplacer une aube de turbine coopérante. En outre, on a trouvé que, d'une manière inatten- due, le traitement thermique améliorait la résistance à l'é- rosion des particules de la couche d'étanchéité en céramique. En plus des caractéristiques avantageuses d'usure par frottement de la couche d'étanchéité en matière cérami- que obtenues grâce au procédé de la présente invention, on obtient également des caractéristiques avantageuses de ré- sistance aux contraintes thermiques de la couche d'étanchéité en matière céramique. Plus particulièrement, le traitement thermique sert à produire un réseau régulier de très fines fissures de relaxation descontraintes dans la couche d'é- tanchéité en matière céramique. En effet, on a trouvé que 2467291 3 le nombre de ces très fines fissures de relaxation des con- traintes thermiques était accru du fait d'un tel traitement thermique. En général, dans le procédé de la présente invention, l'oxyde de zirconium utilisé contient entre environ 6 et environ 25 % en poids d'oxyde de magnésium, un pourcentage d'environ 20 % en poids étant le pourcentage recommandé. Le traitement thermique comporte, en général, l'étape qui con- siste à chauffer la structure à une température comprise entre environ 9000C et environ 14000C pendant une période de temps comprise entre 2 et 30 heures, les plus faibles températures de cet intervalle nécessitant, en général, l'emploi des plus longues périodes de traitement. On peut appliquer la couche d'étanchéité en matière céramique en utilisant l'une quelconque de diverses techniques de dépôif, telles que la pulvérisation au plasma ou le frittage, la pulvérisation au plasma étant la technique recommandée. On peut utiliser des paramètres de pulvérisation au plasma classiques types, tels que par exemple un débit-masse de 2,27 kg/h, une intensité de 500A et une tension continue comprise entre 64 et 70V. Il doit être bien compris que les résultats avanta- geux, obtenus grâce au procédé de la présente invention, sont tout à fait inattendus. A cet égard, on indiquera que l'on a soumis à un traitement thermique de l'oxyde de zirco- nium modifié avec de l'oxyde d'yttrium et qu'un tel traite- ment thermique s'est avéré accroître, en fait, le rapport des aubes à l'incursion. Plus particulièrement,-on a soumis à un traitement thermique de l'oxyde de zirconium modifié avec 20 % en poids d'oxyde d'yttrium. Avant le traitement thermique, le rapport de l'usure des aubes à l'incursion était de 0,44 tandis qu'après le traitement thermique, le rapport de l'usure des aubes à l'incursion s'était détérioré à une valeur de 0,56. Le procédé de la présente invention peut être utilisé avec des structures d'enveloppe différentes de celle repré- sentée sur les figures 1 et 2. Plus particulièrement, le 2467291 i procédé convient pour être utilisé avec d'autres moyens de liaison formant une matrice mécanique. Par exemple, le pro- cédé peut être également utilisé avec des moyens de liaison formé par une grille, par une structure en nid d'abeille ou en chaînette et par des combinaisons de telles structures. Une plus ample description de telles structures d'enveloppe utilisant de tels moyens de liaison formant une matrice mé- canique a été donnée dans la demande de brevet des E.U.A. précitée à laquelle on se reportera à cet égard. A On comprendra mieux le procédé de la présente inven- tion à la lecture de l'exemple donné ci-après étant entendu que le procédé de la présente invention n'est pas limité aux détails qui sont énoncés dans cet exemple. EXEMPLE On a construit plusieurs enveloppes de turbine du type de celle représentée sur la figure 1. La première cou- che de liaison intermédiaire 18 étaiten NiCrAlY dont la densité apparente était égale à 95-100 % de la densité abso- lue. La seconde couche intermédiaire 19 était constituée par une composition de mélange comprenant environ 50 % de NiCrAIY et 50 % d'oxyde de zirconium additionné d'oxyde de magnésium. La composition de la couche d'étanchéité en matière céramique était de l'oxyde de zirconium modifié avec environ 20 % en poids d'oxyde de magnésium. L'oxyde de zirconium était prati- quement à 100 % sous la forme cubique métastable. On a appli- qué sur les tétons 16p, par pulvérisation au plasma, une cou- che d'étanchéité en céramique ayant une épaisseur d'environ 1,524 mm. On a essayé l'une des enveloppes de turbine obtenues en lui appliquant un frottement produit par des aubes de turbine simulées. L'essai a été effectué par frottement avec des aubes de turbine simulées fabriquées dans la composition d'alliage à base de nickel, connue sous la dénomination com- merciale René 480, à une vitesse périphérique des extrémités des aubes de 228,8 m/s pendant une période de 20 à 30 secon- des à un taux d'incursion de 0,05 imm/s. Après un tel essai, on a déterminé que le rapport d'usure des aubes à l'incursion 2467291 I était de 0,83. On a soumis à un traitement thermique deux envelop- pes de turbine pratiquement identiques à celle ayant fait l'objet de l'essai décrit ci-dessus. Le traitement thermi- que a consisté à chauffer l'enveloppe à une température de 11000C environ pendant une période d'environ 30 heures. Le traitement thermique a été effectué de la manière suivante. On a chauffé l'enveloppe à une température de 11000C pendant heures sous un vide de 1 pm de Hg au maximum puis on l'a refroidie à la température ambiante. Ce cycle a été répété six fois, en portant, cependant, la température à 11650C pendant la dernière heure du dernier cycle de chauffage. On a ensuite essayé ces enveloppes traitées thermiquement de la manière décrite ci-dessus. Après un tel essai des enveloppes traitées thermiquement, on a déterminé que leur rapport moyen de l'usure des aubes à l'incursion était de 0,15, le rapport le plus élevé étant de 0,20. On a noté que, par suite d'un tel traitement thermi- que, il se formait dans la couche d'étanchéité en matière céramique un réseau régulier de plus fines fissures de re- laxation des contraintes thermiques que celles de la couche d'étanchéité en matière céramique non traitée. De telles fissures très fines de relaxation des contraintes thermiques ont été représentées sur la figure 3. 2467291ài R E V E N D I C A T I O N S 1. Procédé de construction d'une structure d'enve- loppe de turbine,-caractérisé en ce qu'il consiste a) à former un substrat métallique (16) muni de moyens (16p) de liaison formant une matrice mécanique; b) à appliquer une couche d'étanchéité (20) en matière céramique formée par de-l'oxyde de zirconium addi- tionné d'oxyde de magnésium sur les moyens de liaison for- mant une matrice mécanique; puis c) à soumettre à un traitement thermique la cou- che d'étanchéité en matière céramique pour accroître son aptitude à l'usure par frottement et pour y produire un ré- seau régulier de très fines fissures qui réduisent les con- traintes thermiques dans la couche d'étanchéité en matière céramique. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche d'étanchéité (20) en matière céramique est constituée par de l'oxyde de zirconium additionné de 6 à % en poids d'oxyde de magnésium. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la couche d'étanchéité (20) en matière céramique est constituée par de l'oxyde de zirconium additionné de 20 % environ en poids d'oxyde de magnésium. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le traitement thermique trans- forme l'oxyde de zirconium cubique métastable en oxyde de zirconium monoclinique ou tétragonal. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que l'étape (b) est une étape qui consiste à pulvériser au plasma la couche d'étanchéité en matière céramique. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le traitement thermique de l'étape (c) consiste à chauffer la couche d'étanchété en matière céramique à une température comprise entre 900 et 14000C. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2467291 3- 2 et 3, caractérisé en ce que les moyens de liaison formant une matrice mécanique sont constitués par une multiplicité de tétons (16p) qui s'étendent à partir du substrat métal- lique. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que l'étape (b) est une étape qui consiste à appliquer la couche d'étanchéité (20) en matière céramique en une épaisseur inférieure à 2,286 mm. ce-