Brevet FR2518123A1 — publié le 19830617

PROCEDE POUR APPLIQUER UN RVETEMENT DE MATIERE CERMIQUE SUR UN SUBSTRAT METALLIQUE ET ARTICLE OBTENU. La présente invention concerne un procédé pour appliquer un revêtement de matière céramique sur un substrat métallique et des articles obtenus par la mise en oeuvre de ce procédé, et plus précisément l'invention concerne des revêtements de barrière thermique en matière céramique ayant des compositions variant graduellement depuis une composition entièrement métallique jusqu'à une composition entièrement en matière céramique. Les principes de i'invention ont été développés dans l'industrie des moteurs à turbine à gaz pour être utilisés dans la fabrication de joints externes étanches à l'air dans les turbines mais ont des possibilités d'appli- cations plus larges à la fois dans cette industrie ainsi que dans d'autres. Dans les moteurs à turbine à gaz modernes, les gaz du milieu de travail ayant des températures dépassant 1093 C sont propulsés au travers de rangées de pales de turbine pour extraire l'énergie de ce milieu de travail. Un bandage, appelé joint externe étanche a l'air, entoure chaque rangée de pales de la turbine pour empêcher la fuite des gaz du milieu de travail par-dessus le sommet des pales. Les revêtements de matière céramique à composi- tion variant graduellement et les procédés d'applications décrits ici ont été developpés en vue d'une utilisation spécifique avec les joints externes étanches à l'air des turbines Des structures durables, capables d'un service à long terme, fiables dans le milieu hostile des turbines ont été recherchées Les nécessités spécifiques sont des capacités élevées à temperatures élevées et une bonne résistance aux chocs thermiques En plus, la matière du joint doit pouvoir être abrasée à sa surface de façon adéquate pour empêcher une interférence destructrice lors du contact par frottement du joint avec les pales du rotor. -2- Les brevets US Nos 3 091 548, 3 817 719, 3 879 831, 3 911 891, 3 918 925, 3 975 165 et 4 109 031 sont représentatifs des nouveaux principes applicables aux joints de matière céramique. Ainsi qu'on l'a commenté dans certaines des publications ci-dessus et en détail, en particulier, dans le brevet US No 4 163 071, le substrat métallique sur lequel le revêtement de matière céramique est appliqué peut être préchauffée pour contrôler soit les contraintes résiduelles soit la densité du revêtement En général, un tel chauffage s'est fait à une température uniforme. Bien que beaucoup des matières et procédés décrits dans les brevets cidessus sont reconnus comme étant hautement souhaitables, les structures qui en résul- tent, doivent encore toujours atteindre leurs possibilités potentielles, complètes,en particulier, dans des appli- cations dans un environnement hostile Une recherche significative de matières et procédés toujours améliorés se poursuit. Selon la présente invention, des couches de métal/matière céramique à compositions variant graduelle- ment (appelées ci-après "couches graduelles') ayant une composition croissante de matière céramique sont appliquées successivement sur un substrat métallique sous des condi- tions de températures variées du substrat, comprenant le dépôt d'une ou plusieurs couches à une température initiale supérieure à ou égale à la température finale à laquelle la couche précédente a été déposée, et à une température finale, inférieure à ou égale à la température à laquelle la couche suivante doit être déposée. Selon un mode de réalisation détaillé, les couches graduelles sont appliquées en continu, des variations de la composition de métal/matière céramique étant faites sans interrompre le procédé d'application du revêtement et des variations de la température du substrat étant faites dans des zones de transition pendant le -3- procédé d'application du revêtement. Une caractéristique principale de la présente invention est le contrôle du défaut d'ajustement des contraintes thermiques Le contrôle de la température du substrat pendant le procédé de revêtement établit une caractéristique de températures dans la partie revêtue o la matière dans cette partie est essentiellement libre de contraintes La modulation de la température du substrat, non seulement pour chaque couche successive, mais également pendant le dépôt de la couche de composition uniforme elle-même, introduit une répartition préférée des contrain- tes résiduelles au-travers des couches. Un avantage principal de la présente invention est l'obtention de rapports contraintes à résistance sûrs dans le revêtement Les rapports sers sont maintenus pendant tout l'intervalle de températures et gradients de tempéra- tures auxquels la partie est exposée pendant son cycle de fonctionnement La rupture du revêtement est empêchée même sous des conditions de température qui peuvent varier aussi haut que 10930 C Lorsque la partie est initialement chauffée dans un environnement opérationnel, lescontraintes de compression résiduelles dans la matière céramique sont libérées Un chauffage supplémentaire induit des contrain- tes de tension thermiques dans la matière céramique, mais pas jusqu'à des valeurs qui provoqueraient une rupture. Pour que l'invention puisse être mieux comprise, référence est faite aux figures suivantes o: La figure 1 est une représentation simplifiée du procédé d'application d'un revêtement d'un joint externe de matière céramique dans un moteur à turbine à gaz; la figure 2 est un graphique montrant le contrô- le de la température du substrat du métal auquel un revête- ment graduel de matière céramique est appliqué par le procé- dé de la présente invention; la figure 3 est un graphique décrivant la contrainte résiduelle à température ambiante en fonction -4- de l'épaisseur d'un revêtement appliqué par le procédé selon la présente invention; la figure 4 est un graphique décrivant la caractéristique de température sans contrainte d'un revête- ment de matière céramique appliqué par le procédé de la présente invention; et la figure 5 est un graphique décrivant le rapport contrainte résistance d'un revêtement de matière céramique appliqué à un joint externe de turbine, étanche à l'air par le procédé selon l'invention, sous des conditions de fonctionnement avec accélération du moteur jusqu'au décollage au niveau de la mer, des conditions de fonctionne- ment de décollage au niveau de la mer et des conditions de fonctionnement de décélération jusqu'à une condition de fonctionnement au ralenti. Le procédé de la présente invention pour appli- quer un revêtement de matière céramique graduel sur un sub- strat métallique et la structure résultante sont illustrés en rapport avec un joint 10 externe, étanche à l'air, du type utilisé dans un moteur à turbine à gaz Le substrat métallique 12 est typiquement fabriqué en un alliage à base de nickel, tel que l'alliage connu dans l'industrie des moteurs à turbine à gaz sous la désignation commerciale INCONEL 713 et comporte un revêtement liant 14 en matière métallique adhérant à celui-ci Une matière typique pour le revêtement liant est l'alliage de nickelchrome-aluminium connu dans l'industrie des moteurs à turbine à gaz sous la désignation commerciale METCO 443. Adhérant au revêtement liant 14, se trouvent une ou plusieurs couches intermédiaires graduelles de métal/ matière céramique dont la composition de la matière cérami- que augmente progressivement Dans un mode de réalisation à deux couches intermédiaires, une première couche inter- médiaire 16 peut, par exemple, être un mélange de quarante pourcents en poids ( 40 %), d'oxyde de zfrc Dnium, (Zr O 2) et soixante pourcents en poids ( 60 %) de matière Co Cr Al Y La - matière Co Cr Al Y d'un mode de réalisation efficace a la composition nominale: chrome 23,0 %; alu/linum 13,0 %; yttrium 0,65 %; et le complément est essentiellement du cobalt La seconde couche intermédiaire 18 peut O par exemple être un mélange de quatre-vingt-cinq pourcents en poids ( 85 %) d'oxyde de zirconium (Zr O 2) et quinze pourcents en poids ( 15 %) de matière Co Cr Al Y, la matière Co Cr Al Y ayant la même composition que celle utilisée dans la première couche Dans de tels modes de réalisation, chaque couche successive de métal/miatière céramique comporte une proportion plus élevée de matière céramique que la couche précédente et une proportion moindre de matière céramique que la couche à appliquer par la suite. Cent pourcents ( 100 %) de matière céramique, oxyde de zirconium (Zr O 2), sont appliqués sur la dernière couche intermédiaire métal/matière céramique Dans un mode de réalbation préféré, deux couches de revêtement sont utilisées: une première couche 20 de matière céramique dense et une seconde couche 22 de matière céramique poreuse. En pratique, la couche poreuse a une densité moindre et est appliquée sous forme d'un mélange de poudre d'oxyde de zirconium (Zr O 2) avec deux et demi à dix pourcents ( 2 -10 %) en poids de polyester Le polyester est ultérieurement enlevé du dépôt pour laisser une surface de matière cérami- que poreuse Le chauffage du joint externe, étanche à l'air, lors de la fabrication ou in situ pendant le fonctionnement, est utilisé pour éliminer la matière de polyester de la matière céramique Des pourcentages de polyester en-dehors de l'intervalle indiqué ci-dessus peuvent être uînis s pour produire une porosité variant de façon correspondante. Le but de la matière céramique externe dans une structure de joint externe étanche à l'air est double: réaliser une barrière thermique, protéger le substrat des gaz chauds du milieu de travail de la turbine auxquels le substrat serait autrement exposé, et réaliser un joint abrasable s'adaptant aux excursions thermiques des pales de rotor qu'il entoure sans interférence destructice, Pendant le procédé d'application du revêtement, la température du substrat est contrôlée d'un degré prédéterminé pour établir des modèles de contraintes et tensions résiduelles dans le joint fabriqué Des dispositifs de chauffage 24 du substrat sont prévus dans ce but Les revêtements eux-mêmes sont appliqués par des techniques de pulvérisation à l'arc plasma, habituelles dans l'industrie. Un pistolet 26 de pulvérisation à l'arc plasma dans lequel les poudres ou mélanges de poudres sont injectés se déplace selon un modèle répété, le long du substrat lorsque le revêtement est formé jusqu'à l'épaisseur souhai- tée Un courant de plasma 28 amène les poudres de revête- ment 30 vers la surface de l'article à enduire Les mélan- ges de revêtement sont, de préférence, changés de manière continue Les changements de la température du substrat sont réalisés aussi rapidement que possible dans les zones de transition, immédiatement avant, pendant ou immédiatement après chaque changement de composition de la poudre. Le cycle de température du substrat pour enduire les composants décrits ci-dessus est indiqué dans le graphique de la figure 2 Les couches de revêtement avec les températures initiales et finales du substrat lors du dépôt, sont comme suit: - Couches de revêtement Epaisseur Temp initiale Temp finab Revêtement liant métallique 0,067 mm 5380 C 816 C Première couche intermédÈire 0,675 mm 8160 C 5800 C Secordecouche intermédiaire 0,675 mm 6630 C 6070 C Matière céramique dense 0,675 mm 6570 C 5430 C Matière céramique poreuse 0,7875 mm 5430 C 4820 C A la fois dans le tableau ci-dessus et dans le graphique de la figure 2, chaque couche intermédiaire de composition métal/matière céramique est appliquée sous des conditions variées de températures du substrat, à une température initiale supérieure à la température lors de la fin du dépôt de la couche précédente et une température finale inférieure -7- à ou égale à la température du début du dépôt de la couche suivante La température du substrat à la fin du dépôt de chaque couche intermédiaire est également inférieure à la température de substrat lors du début du dépôt de cette couche intermédiaire Des changements discontinus de tempé- ratures à l'interface entre des compositions différentes sont similairement souhaités Des considérations pratiques dans un procédé de revêtement continu cependant, suggèrent une zone de transition telle que celle qui apparaît à proximité du changement de composition. On s'adapte aux coefficients de dilatation thermique différentsde façon inhérente entre toutes les matières céramiques et tous les substrats métalliques par la variation graduelle des compositions des revêtements et en induisant une contrainte de compression pendant le dépôt de la couche Le graphique des contraintes accumulées donné dans la figure 3, est une caractéristique des parties fabriquées par le présent procédé Le graphique montre une contrainte de compression croissante mesurée à l'arrière du substrat lorsque des changements incrémentale de l'épaisseur du revêtement sont faits La contrainte crois- sant de façon uniforme démontre l'absence des discontinui- tés sévères à chaque épaisseur quelconque du revêtement. Des inversions de contraintes, si elles se produisent apparaîtraient sous forme de pics ou de vallées le long de la courbe. Ainsi qu'il a été commenté précédemment, le revê- tement est conçu pour avoir une caractéristique sans contraintes à une température présélectionnée La température sans contrainte est intermédiaire entre la température à l'état froid et la température maximum La figure 4 montre une structure essentiellement sans contrainte à une tempéra- ture d'environ 6490 C Les valeurs des contraintes pour différentes épaisseurs de revêtement dans les matières de compositions différentes sont indiquées Lorsqu'on réduit la température de la structure depuis la température sans -8 - contrainte, le côté substrat métallique de la structure tend vers des contraintes de dilatation et le côté matière céramique tend vers des contraintes de compression Lorsque la température de la structure augmente au-dessus de la température sans contrainte, le côté substrat métallique tend vers des contraintes de compression et le côté matière céramique tend vers des contraintes de dilatation. La figure 5 est un graphique représentant les rapports de contrainte à résistance au travers de la sectbn transversale en fonction de la condition de fonctionnement du moteur Les conditions représentées sont l'accélération jusqu'à décollage au niveau de la mer (A); décollage au niveau de la mer à régime constant (B); et décélération depuis le décollage au niveau de la mer jusqu'à régime au ralenti (C) Sous toutes ces conditions, le rapport de contraintes à résistance dans chaque couche de la matière reste bien en-dessous d'un rapport deun ( 1,0), au-delà duquel on s'attend à une rupture Une contrainte excessive induite par une tension différentielle entre les couches est évitée L'effet du contrôle de la température du substrat et des coefficients différents de dilatation thermique entre les matières des couches successives est ajustée pour obtenir ce résultat. Bien entendu diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux procédés et articles obtenus qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'inven- tion. 9 - Revendications: 1 Procédé pour appliquer un revêtement de matière céramique sur un substrat métallique comprenant l'appli- cation d'une ou plusieurs couches intermédiaires graduelles de métal/matière céramique entre le substrat métallique et le revêtement de matière céramique caractérisé par l'amélioration consistant à contrôler la température du substrat métallique pendant les étapes de dépôt de la ou des couches intermédiaires et de la couche de matière céramique de telle façon que la température du substrat lors du début de dépôt de la matière comprenant chaque couche intermédiaire est supérieure à ou égale à la tempéra- ture du substrat lors de la fin du dépôt de la matière comprenant la couche précédente, et de telle façon que la température de substrat lors de la fin du dépôt de la matière comprenant cette couche intermédiaire est infé- rieure à la température lors du début du dépôt de cette couche intermédiaire et inférieure à ou égale a la tempé- rature de substrat à laquelle la couche suivante doit être appliquée. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérise en ce qu'il comprend, en outre, l'étape d'appliquer la matière céramique sur la couche intermédiaire déposée à une température de substrat qui est supérieure ou égale a la température à laquelle h fin du dépôt de la matière de la couche intermédiaire est mise en oeuvre. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la couche de matière céramique est appliquée en une pluralité de dépôts à une température de substrat métallique décroissante. 4 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape de déposer un revêtement liant métallique sur le substrat métallique avant l'étape d'application du début du dépôt du revêtement graduel de matière métallique/matiàre céramique constituant la couche intermédiaire. - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la couche de matière céramique est appliquée à une première densité et ensuite à une seconde densité qui est inférieure à cette première densité. 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la matière céramique comprenant les couches intermédiaires de matière métallique/matière céramique et les couches de matière céramique est appliquée en un procédé continu et en ce que la température du substrat lors des changements de la composition de la matière varie pendant le procédé continu dans des zones de transition de courte durée. 7 Article enduit de matière céramique obtenu par la mise en oeuvre du procédé selon 'L'une quelconque des reven- dications 1 à 6, comprenant un substrat métallique, un revê- tement liant métallique adhérant à ce substrat de métal, au moins une couche intermédiaire de composition de matière métallique /matière céramique adhérant à ce revêtement liant et une couche de matière céramique adhérant à la dernière couche intermédiaire caractérisé en ce que cet article enduit de matière céramique possède une caractéristique de contraintes sensiblement libre d'inversion de contraintes sur toute l'épaisseur du revêtement. 8 Joint externe, étanche à l'air, d'un moteur à tur- bine à gaz appliqué par la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 comprenant un substrat métallique, un revêtement liant métallique adhérant à ce substrat métallique, au moins une couche intermédiaire de composition de matière métalique/matière céramique adhé- rant à ce revêtement liant, une première couche de matière céramique adhérant à la dernière couche intermédiaire de matière métallique/matière céramique et une seonde couche de matière céramique adhérant à cette première couche de matié- re céramique et ayant une densité inférieure à cette densité de la première couche caractérisé en ce que cet article enduit de matière céramique a une caractéristique de con- il - traintes sensiblement semblable à celle représentée dans le graphique de la figure 3 et libre d'inversions de contraintes sur l'épaisseur du revêtement. PAR PROCURATION de: UNITED TECHNOLOGIES CORPORATION LE MANDATAIRE: R BAUDIN