Brevet FR2522543A1 — publié le 19830909

La présente invention concerne un revêtement de matériau composite et un procédé pour appliquer ce revê- tement sur un article. Des matériaux composites, comprenant des matières céramiques ou des verres, sont utilisés comme revêtements d'isolation thermique sur des pièces telles qu'aubes et disques de rotors de turbines à gaz pour diminuer la rapi- dité avec laquelle la chaleur ambiante pénètre dans cel- les-ci. Tels qu'ils sont traditionnellement appliqués, c' est-à-dire au moyen d'un pulvérisateur à flammes, ces re- vêtements sont poreux et les minuscules poches d'air em- prisonné qu'ils contiennent améliorent considérablement leurs propriétés d'isolation thermique Par contre, elles diminuent leur densité, de sorte qu'ils résistent moins bien à l'érosion et adhèrent relativement mal au support métallique. Des problèmes similaires surgissent en ce qui con- cerne l'adhérence d'autres revêtements composites, tels que les revêtements abrasif Sou susceptibles d'abrasionap- pliqués sur des aubes de rotor et des carters de turbines à gaz et utilisés pour diminuer les effets du contact avec frottement entre les têtes d'aubes et les carters. L'invention a donc pour objet de fournir un procé- dé d'application d'un revêtement en matériau composite sur un article grâce auquel ce revêtement adhère solidement au support tout en conservant les propriétés exigées de lui. A cet effet, le procédé selon l'invention consiste à mélanger à un liant une matière céramique à l'état de particules et à compacter le mélange sur une surface de 1 ' article par pression isostatique à chaud. La matière céramique peut avoir une conductivité thermique inférieure à celle du matériau dont est fait I' article et le liant peut être fait de métal ou de verre. Le mélange obtenu est appliqué sur l'article sous forme de revêtement et l'article ainsi revêtu est ensuite soumis à une pression isostatique à chaud pour compacter le re- vêtement et le fixer sur l'article. Les particules de céramique sont de préférence des particules d'oxyde, mais on peut utiliser d'autres formes de céramiques, par exemple un nitrure, ou un oxyde mixte, par exemple du zirconate de magnésium ou un silicate de magnésium, suivant les propriétés exigées du revêtement. Il est préférable que les particules de céramique soient sphériques et que, notamment dans le cas d'un revê- tement d'isolation thermique, ces particules sphériques soient creuses. Dans une forme d'exécution du revêtement selon I' invention, destinée notamment à servir d'isolation thermi- que, le liant est métallique, de préférence un alliage ré- sistant aux températures élevées et à la corrosion, les particules d'oxyde assurant une diminution de la conducti- vité thermique du revêtement composite, tandis que la ma- trice métallique, compactée sur la surface de l'article par la compression isostatique a chaud, forme une liaison par diffusion avec le support métallique, liaison qui fournit une bonne adhérence La matrice de métal agit com- me une couche souple entre l'oxyde, matériau a faible coefficient de dilatation thermique, et le matériau du support, et sa composition est choisie, entre autres, de façon qu'elle contribue à atténuer les effets de l'écart entre les dilatations thermiques respectives des deux ma- tériaux. Comme exemples d'oxydes à faible conductivité ther- mique, on peut citer la zircone, l'alumine et la silice, et, parai ces oxydes, on choisira de préférence la zirco- ne, car elle possède la conductivité thermique la plus faible. On comprendra que la zircone nécessite la présence d'agents stabilisants, de sorte que tout au long du pré- sent mémoire, toute référence à la zircone devra être com- prise comme se rapportant à la zircone stabilisée. Le liant métallique est de préférence un alliage, dont la composition est aussi fonction de l'environnement dans lequel il aura à travailler Dans l'environnement propre à une turbine à gaz, des propriétés telles que la résistance à l'oxydation ou à la corrosion en général sont presque toujours exigées, de sorte que les composi- tions de revêtement préférées seraient un alliage nickel- aluminium pour la résistance à l'oxydation ou un des al- liages chrome-alumium-yttrium, avec du cobalt ou du nickel, pour la résistance à la corrosion en général. Dans une autre forme d'exécution du revêtement se- lon l'invention, le liant utilisé est un liant non métal- lique ductile, par exemple une céramique vitreuse, comme le silicate de zirconium Ceci diminue encore davantage la conductivité thermique de la couche extérieure en éli- minant la présente d'un métal, matériau qui est très bon conducteur, mais peut nécessiter l'adjonction d'une couche intermédiaire pour produire une bonne adhérence avec le support de métal. L'épaisseur du revêtement dépend bien évidemment de l'usage auquel il est destiné Lorsqu'il doit servir d'écran à la chaleur, cette épaisseur peut être de l'ordre de 0,250 à 0,508 mm Par contre, les revêtements suscepti- bles d'érosion ou les revêtements abrasifs, par exemple sur les têtes d'aubes de rotors, sont habituellement un peu plus épais,et leur épaisseur peut être comprise entre 0,508 et 1,016 mm environ. Dans une forme d'exécution encore différente de 1 ' invention, un blindage léger peut être appliqué sur la tê- te d'une aube de rotor, blindage qui est suffisamment é- pais pour être amené par usinage à une forme spécifique. Le terme "revêtement" doit être interprété comme englobant un tel blindage. De toute façon, l'invention sera bien comprise à 1 ' aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé, représentant, à titre d'exemples non limitatifs, plusieurs formes d'exécution de ce revêtement: Fig 1 représente une partie d'aube de turbine à gaz munie d'un revêtement selon l'invention; Fig 2 représente une partie d'aube de turbine à gaz munie d'une autre forme d'exécution du revêtement se- lon l'invention; Fig 3 est une reproduction agrandie d'une micro- graphie d'un revêtement selon l'invention comportant prin- cipalement des particules sphériques de céramique et fixé à un support de métal. Comme le montrent les figures, une aube 1 de turbi- ne à gaz est munie d'un revêtement composite 2, qui sert d'écran à la chaleur et est constitué par des particules de zircone 2 noyées dans un liant en alliage nickel-alu- minium. Ce revêtement composite est appliqué sous la forme d'une suspension, en une ou plusieurs couches, par pulvé- risation, trempage ou toute autre méthode appropriée A- près séchage, un autre revêtement de nickel est appliqué sur la surface par dépôt électrolytique Ce revêtement supplémentaire fournit une couche externe qui est étanche aux gaz et transmet la pression au cours de la compres- sion isostatique à'chaud qui a lieu ultérieurement et sa composition ou la méthode suivie pour son application ne forment pas une partie essentielle de l'invention Il peut être appliqué, par exemple, par pulvérisation de plasma ou par dépôt à l'état de vapeur, ou il peut avoir la for- me d'un sac métallique étroitement ajuste, qui est soudé et dans lequel on a fait le vide En fait, on peut lui substituer un revêtement de verre, à la condition qu'il n'y ait pas de possibilité d'interaction avec le revête- ment composite. Une fois que ce revêtement supplémentaire a été ap- pliqué, la pièce est placée dans un récipient et elle est soumise à une pression isostatique A chaud pour lier le revêtement au support de métal. La compression isostatique A chaud est une opéra- tion connue en soi et elle ne sera pas décrite en détail dans le présent mémoire Il suffit de savoir que durant cette opération l'aube de turbine est soumise à une pres- sion comprise entre 151 700 et 379 250 Pa environ, à une température supérieure à 8000 C Lorsque cela est possible, l'opération de compression isostatique à chaud peut être combinée à un traitement thermique éventuellement néces- saire pour réduire le coût de fabrication global de l'au- be munie du revêtement, étant donné que les traitements thermiques de ce type ont généralement lieu à des tempé- ratures comprises entre 8000 C et 13000 C. Une fois la compression isostatique à chaud termi- née, le revêtement supplémentaire métallique ou autre est enlevé par n'importe quel procédé approprié, par exemple par attaque chimique, pour mettre à nu le revêtement com- posite thermo-isolant maintenant compacté. Dans cette forme d'exécution de l'invention, le re- vêtement adhère directement au support de métal grâce a une liaison par diffusion assurée par le liant métallique, lequel est choisi pour sa résistance à l'oxydation ou à la corrosion aux températures élevées ainsi que pour ses propriétés de dilatation thermique A la place du liant en alliage nickel-aluminium qui vient d'être décrit, on peut utiliser n'importe quel autre liant traditionnel ré- sistant à la corrosion, par exemple un des liants en al- liage connu sous la dénomination générale de M Cr Al Y, dans laquelle Cr, Al et Y sont les symboles du chrome, de I' aluminium et de l'yttrium et M peut être le cobalt, le nickel ou un mélange des deux. L'incorporation d'un liant métallique au revêtement d'isolation thermique diminue l'efficacité de ce dernier à cause de la conductivité thermique du métal. On peut toutefois réduire encore davantage la con- ductivité thermique du revêtement en utilisant des parti- cules de céramique sphériques et creuses En utilisant des particules sphériques, on dispose d'un contrôle beau- coup plus serré sur la densité du revêtement Il existe un volume de sphères maximal qui peut être contenu dans un volume fixe donné et, en utilisant différentes gran- deurs de sphères, on peut graduer la densité du revête- ment de façon à placer le volume maximal de métal près de la surface de l'article et le volume maximal de céramique près de la face externe du revêtement Le volume maximal de céramique dans le mélange est de l'ordre de 70 % Les auteurs de l'invention ont constaté qu'un mélange de sphè- res creuses de zircone adhère correctement à un liant en alliage cobaltchrome-aluminium-yttrium et à un support en alliage à base de nickel. L'épaisseur du revêtement d'isolation thermique re- présente doit évidemment être choisie de façon à donner un résultat optimal pour les conditions auxquelles ce re- vêtement est soumis, mais on peut généralement utiliser u- ne épaisseur comprise entre 0,254 et 0,508 mm Etant don- né que la plus grande diminution possible de la conducti- vité thermique, qui nécessite un revêtement épais, et la plus grande légèreté possible, qui exige un revêtement mince, sont deux exigences contradictoires, il sera néces- saire de procéder par approximations successives pour dé- terminer l'épaisseur et les propriétés optimales. Si l'on peut atteindre un volume maximal de sphè, res de céramique tel que celles-ci se touchent toutes, il peut être possible d'en extraire certaines ou de les ex- traire toutes du revêtement pour laisser des espaces d' air dans celui-ci. Dans la variante de réalisation représentée à la figure 2, un revêtement entièrement non métallique 10 est appliqué sur l'aube et l'adhérence est améliorée par l'u- tilisation d'un revêtement intermédiaire 11 entre la cou- che d'isolation thermique et le support de métal. Etant donné que la compression isostatique à chaud donne un revêtement dense, il n'y a plus dans ce dernier aucune souplesse qui lui permette d'absorber les contrain- tes crées en lui par les différences de température d'un endroit à un autre Dans cette variante de revêtement, il est donc prévu de noyer le matériau oxyde dans un liant ductile pour absorber ces contraintes thermiques. Le revêtement d'isolation thermique est, dans ce cas, un matériau composite formé de particules de zircone 12, qui peuvent être des sphères creuses, et d'un liant au silicate de zirconium, lequel est très ductile aux tem- pératures élevées. Pour améliorer l'adhérence et diminuer les diffi- cultés dues aux différences de dilatation thermique, une couche intermédiaire 11, de préférence une couche métalli- que formée d'une des compositions d'alliage M Cr Al Y préci- tées,-ekt appliquée sur le support Cette couche métalli- que intermédiaire forme une zone souple entre le revête- ment et le support et elle apporte une résistance à la corrosion. Là o le revêtement doit être susceptible d'éro- sion ou être abrasif, la forme des particules est de pré- férence irrégulière et non pas sphérique et l'épaisseur peut atteindre 1,016 mm Le matériau céramique pour un re- vêtement abrasif est de préférence de l'alumine ou du si- licate de magnésium ayant pour formule Mg O 25 i O 2. Une fois que le matériau oxyde est emprisonné dans le liant, le fait que la liaison entre eux reste ou non intacte peut ne pas avoir d'importance. On peut voir à la figure 3 que la partie métallique du revêtement composite (zones claires) s'est inflitrée partout entre les particules de céramique (zones sombres) et a forme une bonne liaison avec le support (grande par- tie claire). Bien que l'invention ait été décrite en relation a- vec des aubes de turbines à gaz, il est clair qu'elle peut aussi s'appliquer à d'autres pièces dans lesquelles un re- vêtement d'isolation thermique ou autre est actuellement utilisé ou pourra l'être dans l'avenir Comme exemple d' autre usage, on peut citer celui de revêtement d'isola- tion thermique pour des chemises de chambres de combus- tion dans des turbines à gaz On peut citer aussi le re- vêtement des soupapes de moteurs à pistons. L'invention ne se limite pas à l'emploi de revête- ménts minces Le matériau du revêtement composite peut ê- tre léger si l'on utilise des particules de céramique de faible densité et notamment s'il s'agit de sphères creu- ses De même, le liant métallique procure une très bonne adhérence à un support lorsqu'il lui est lié par pression isostatique à chaud. L'invention qui vient d'être décrite enbrasse donc par exemple la fixation d'un revêtement léger et épais, pouvant atteindre, par exemple une épaisseur de 6,35 mm, sur la tête d'une aube de rotor ià profil aérodynamique, sous la forme d'un bloe qui présente une surépaisseur lui permettant d'être amené par usinage à la forme d'un blin- dage d'aube Le terme revêtement est donc utilisé ici dans un sens très large. REVENDICATIONS - 1. Procédé d'application d'un revêtement compo- site sur un article, caractérisé en ce qu'il consiste à mélanger à un liant une matière céramique à l'état de par- ticules et à compacter le mélange sur une surface de cet article par pression isostatique à chaud. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les particules de céramique ont une forme sphé- rique. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les particules de céramique sont des sphères creuses. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que le liant est une poudre métallique. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le liant est un alliage de nickel et d'aluminium. 6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le liant est un alliage de chrome, d'aluminium et d'yttrium contenant du cobalt et/ou du nickel. 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le liant est une matière céramique qui est plus ductile que celle des particules à une température élevée. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le liant est du silicate de zirconium. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 6, caractérisé en ce que les particules de cé- ramique sont faites d'un matériau choisi dans un groupe formé de la zircone, de l'alumine, de la silice et du si- licate de magnésium ayant pour formule Mg O 25 i O 2. 10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à mélanger des sphères creuses de zircone avec un liant constitué par une poudre de nickel ou d'alliage à base de cobalt, à appliquer ce mélange à la surface de l'article et à le fixer à cette surface par pression isostatique à chaud. 11. Article muni d'un revêtement composite, carac- térisé en ce que ce revêtement est appliqué suivant le procédé selon l'une quelconque des revendications précé- dentes. 12. Article selon la revendication 11, caractérisé en ce que le revêtement est un revêtement d'isolation thermique. 13. Article selon la revendication 11, caractéri- sé en ce que le revêtement est un revêtement abrasif. 14. Article selon la revendication 11, caractéri- sé en ce que le revêtement est un revêtement susceptible d'érosion. 15. Article selon la revendication 11, caractéri- se en ce que le revêtement est un revêtement léger qui est ensuite amené par usinage à la forme demandée. 16 Article selon l'une quelconque des revendica- tions Il à 15, caractérisé en ce que l'article est une aube à profil aérodynamique ( 1) pour turbine à gaz. 17. Article selon l'une quelconque des revendica- tions 13 à 15, caractérisé en ce qu'il est une aube de rotor à profil aérodynamique pour turbine à gaz et en ce que le revêtement est appliqué à la tête de l'aube.