Brevet FR2519071A1 — publié le 19830701

1.- "Aube d'une machine à flux gazeux, notamment d'une turbine à gaz". L'invention est relative à une aube d'une ma- chine à flux gazeux, notamment d'une turbine à gaz, avec un revêtement protecteur en céramique, de préférence en carbure de silicium (Si C) et/ou en nitrure de silicium (Si 3 N 4), prévu à l'extérieur de l'aube selon la section transversale de cette aube. Des aubes de turbines à gaz de ce type sont mises en oeuvre Ces aubes connues sont constituées de mé- tal et lors du revêtement du type mentionné, il s'agit en premier lieu d'une couche de diffusion, par exemple en aluminium, en chrome ou bien en platine ou bien d'une couche de projection par exemple en cobalt, en chrome, en aluminium, en yttrium ou bien en oxyde zircone (Zr O 2). Une telle couche sert de couche de corrosion, dans le cas de l'oxyde de zircone (Zr O 2) de couche d'isolement ther- mique (barrière thermique) Sur les aubes de compresseurs, il est prévu des couches de laque organique ou non organi- que ou bien des couches projetées notamment en carbure de tungstène (VU) comme protection contre l'érosion et des couches d'émail pour amortir les vibrations des aubes. Notamment dans le cas de-nombreuses turbines à gaz, il intervient de façon combinée (simultanément) d'im- portantes contraintes d'érosion et de corrosion des aubes. Ces contraintes combinées sont, dans le cas de nombreuses 2.- turbines à gaz exploitées avec des carburants de remplace- ment, tels que du gaz de haut-fourneaux, très importantes dans le cas de turbines à gaz exploitées avec du carburant de remplacement produit par une combustion de poussière de cbarbon, extrêmement importantes. Ce carburant présente notamment aussi du fait des particules entraînées par lui; une action érosive et corrosive. Il a en outre été essayd des aubes de turbines à gaz en matériau céramique, et ces aubes présentent, par rapport aux aubes de turbines à gaz métalliques lors d'une attaque corrosive du gaz carburant, une bonne résistance à la corrosion et à l'érosion Toutefois, une corrosion ne peut être évitée sur les aubes. Le but de l'invention est de rendre aussi ré- sistantes que possible les aubes du type ci-dessus définies contre une attaque fortement nuisible, notamment fortement érosive et corrosive, du fluide d'entrainement ou de fonc- tionnement, notamment des gaz de combustion utilisés comme carburant de remplacement, en particulier des gaz de com- bustion de poussière de charbon, et de maintenir à un ni- veau aussi réduit que possible, l'érosion provoquée sur les aubes par cette attaque. A cet effet, l'invention concerne une aube caractérisée en ce que ce revêtement comporte au moins une des substances suivantes, à savoir du nitrure de titane, du carbure de titane, du carbure de bore et du carbonitrure de titane. Grâce au matériau céramique constituant l'aube, et gr-ce à au moins l'un des quatre matériaux de revêtement précités, on obtient une bonne adhérence de ce revêtement sur ce matériau céramique L'érosion sur l'aube dans le cas de l'une des attaques intenses précitée est réduite ou très réduite Grâce à ce rev tement, l'aube n'est que très peu attaquable et même lorsque le fluide d'entraînement est 3.- très érosif et corrosif Ce revêtement est très résistant à l'abrasion et à l'usure et en même temps, résiste très bien à l'oxydation et à la chaleur Le revêtement brillant comme l'or de nitrure de titane agit entre autres comme réflecteur pour le rayonnement thermique, ce qui se traduit par une concentration réduite d'air de refroidissement dans le cas d'aubes refroidies par circulation interne d'air. Une érosion locale, correspondant à un temps de fonction- nement très long, du revêtement Jusqu'à la céramique, peut être détectée immédiatementcar à cause de la différence de couleur ou de luminosité entre la céramique sombre ou claire et le revêtement précité, la céramique devient vi- sible On peut ainsi facilement constater par inspection visuelle des aubes montées dans la machine, l'importance de la surface érodée par rapport à la surface totale du revêtement de l'aube, ou bien effectuerune inspection poroscopique du degré de la corrosion sur l'aube ou sur son revêtement Ces effets et ces avantages de l'invention prennent notamment toute leur portée dans les cas précités oh l'on utilise des carburants de remplacement, notamment dans le cas précité de la poussière de charbon Souvent le revêtement est simplement une couche unique constituée de l'un des quatre matériaux de revêtement précités. D'autres caractéristiques de l'invention per- mettent d'envisager d'autres formes avantageuses de l'aube définie ci-dessus. Selon l'une de ces caractéristiques, le ma- tériau céramique est compact Le revêtement peut être mieux rapporté sur une céramique compacte que sur une céramique poreuse En outre, plus compact est le matériau céramique, plus il est résistant à l'érosion et à la corrosion. Selon une autre caractéristique de l'inven- tihon, ce revêtement comporte au moins deux couches super- posées constituées respectivement de l'un de ces matériaux de revêtement Il est ainsi possible d'une part, d'obtenir 4 o - une bonne adhérence, et, d'autre part, une résistance par- ticulièrement élevée à l'érosion à l'extérieur de l'aube. Mais le revêtement ou bien l'une de ses couches peut éga- lement 9 tre constitué de deux des matériaux de revêtement précités, mélangés l'un à l'autre Le revêtement adhère particulièrement bien sur une aube en un matériau cérami- que en carbure de silicium (Si C) et/ou en nitrure de sili- cium (Si 3 N 4) Une protection particulièrement bonne contre l'érosion est également obtenue en ce que ce n'est que là o l'aube est exposée à une érosion accentuée, que ce rev 8- tement est prévu sur l'aube, ou bien qu'il est plus épais qu'ailleurs De revêtement n'est prévu ou bien plus épais qu'essentiellement sur la partie avant ou bien sur la face soumise à la pression se raccordant à cette partie avant Jusqu'à l'arête de fuite. Selon une autre caractéristique de l'invention, le revêtement ou bien la couche externe sur l'aube présente plus d'épaisseur radialement vers l'extérieur que radiale- ment vers l'intérieur Il est ainsi tenu compte que les particules érosives et corrosives se trouvant dans le flux de fluide d'entraînement ou de fonctionnement, sont trans- portées par la rotation du rotor dans la zone radiale ex- terne de l'espace parcouru par les aubes. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, le procédé pour la réalisation de l'aube est caractérisé en ce que cette aube est réalisée respective- ment à partir du matériau céramique, tandis que sur cette aube ou ce matériau, le matériau de revêtement mentionné ou bien le revêtement mentionné, est rapporté par le procé- dé connu CVD ou bien PVD Ainsi, les quatre matériaux de revêtement précités peuvent être rapportés sur le matériau céramique compact par le procédé connu CVP (dép 8 t chimique par la vapeur) ou bien par le procédé connu PVD (dép 8 t pby- sique par la vapeur), d'une façon satisfaisante au point de vue qualité et reproductibilité Dans le cas d'une aube ,- réalisée selon l'un de ces procédés, on enregistre une adhé- rence très ferme du revêtement sur le matériau céramique. Dans le cadre de l'invention, on vise en pre- mier lieu une détérioration par érosion et corrosion la plupart du temps une détérioration s'effectuant principale- ment par érosion, notamment pour des fluides d'entra nement de turbines à gaz provenant des combustibles de remplace- ment précités, en particulier de poussière de charbon On vise en outre dans le cadre de l'invention, la corrosion par oxydation De plus, dans le cas de la turbine à gaz, on vise dans le cadre de l'invention le fluide d'entrai- nement constitué par un mélange de gaz et de gaz de com- bustion et d'air Le risque d'oxydation provient notamment de cet air Le risque de corrosion peut également résulter des gaz de combustion ou analogues et/ou de leurs impure- tés par exemple le soufre. L'invention peut être mise en oeuvre pour des aubes directrices et/ou pour des aubes tournantes le reva- tement est fréquemment prévu uniquement sur l'aube elle- même Mais il peut également être prévu dans le cas d'aubes directrices en supplément sur les bandes de recouvrement et dans le cas d'une aube tournante en supplément par exem- ple sur d'autres parties de celle-ci, notamment sur une plateforme d'aube et sur un pied d'aube. L'invention va être exposée plus en détail en se référant aux dessins cijoints, dans lesquels: la figure 1 représente deux exemples de réalisation de même type d'une aube de turbine à gaz axiale conforme à l'invention dans un plan longitudinal de cette turbine avec des profile de section transversale d'aube représentés en rabattement dans ce plan, la figure 2 montre à plus grande échelle un détail à de la figure 1. Les figures 1 et 2 correspondent à des repré- sentations schématiques simplifiées. 6.- Il s'agit d'une aube directrice 10 et d'une aube tournante 11 lui succédant directement L'aube directrice est fixée sur une pièce annulaire radiale externe 13 et une pièce annulaire radiale interne 12 L'aube tour- nante 11 est constituée d'une aube proprement dite 14, d'une plateforme d'aube 15 et d'un pied d'aube 18 Sur l'aube directrice 10 et sur l'aube tournante proprement dite 14, il est prévu respectivement, à l'extérieur, un revêtement 16 ou 17 Les aubes 10 et 11 en dehors du re- v Atement 16 ou 17, sont constituées en totalité de carbu- re de silicium (Si C) compact. Le revêtement 16 ou 17 se compose d'une couche , qui est constituée de carbure de titane (Ti C) et qui est prévue sur la totalité de la longueur radiale et sur la totalité de la surface externe partie antérieure 22, face sous pression 23 et face sous dépression de l'aube directrice 10 ou de l'aube tournante 14 proprement dite, et d'une couche 21 se trouvant sur la couche 20 et qui est constituée de nitrure de titane (Ti N) en étant prévue essentiellement sur la partie antérieure 22 et se raccor- dant à celle-ci sur la face sous pression 23 jusqu'à lar - te de fuite 19. 7.- REVENDICATIONS 1. Aube d'une machine à flux gazeux, notamment d'une turbine à gaz, avec un revêtement protecteur en céra- mique, de préférence en carbure de silicium (Si C) et/ou en nitrure de silicium (Si 3 N 4), prévu à l'extérieur de l'aube selon la section transversale de cette aube, aube caracté- risée en ce que ce revêtement ( 16, 17) comporte au moins une des substances suivantes, à savoir du nitrure de ti- tane (Ti N), du carbure de titane (Ti C), du carbure de bore (B 4 C) et du carbonitrure de titane. 2. Aube selon la revendication 1, caractéri- sée en ce que le matériau céramique est compact. 3. Aube selon l'une quelconque des revendi- cations 1 et 2, caractérisée en ce que ce rev Stement ( 16, 17) comporte au moins deux couches superposées ( 20 21), constituées respectivement de l'un de ces matériaux de revêtement. 4. Aube selon les revendications 1, 2 ou 3, caractérisée en ce que le matériau céramique mentionné est du carbure de silicium (Si C) et/ou du nitrure de silicium (Si 3 N 4). 5. Aube selon les revendications 1, 2, 3 ou 4, caractérisée en ce que ce n'est que 1 à o l'aube ( 10, 11) est exposée à une érosion accentuée, que ce revêtement est prévu sur l'aube ( 10, 11) ou bien qu'il est plus épais qu'ailleurs. 6. Aube selon la revendication 5, caracté- risée en ce que le revêtement ( 16, 17) n'est prévu ou bien plus épais qu'essentiellement sur la partie avant ( 22) ou bien sur la face soumise à la pression ( 23) se raccordant à cette partie avant jusqu'à l'arête de fuite ( 19). 7. Aube d'une machine à flux gazeux axial selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caracté- risée en ce que le revêtement ( 16, 17) ou bien la couche externe ( 21) sur l'aube ( 10, 11) présente plus d'épaisseur radialement vers l'extérieur que radialement vers l'inté- rieur. 8. Procédé pour la réalisation de l'aube se- lon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que cette aube ( 10, 11) est réalisée respectivement à partir du matériau céramique, tandis que sur cette aube ( 10, 11) ou ce matériau, le matériau de revêtement mention- né ou bien le revêtement mentionné ( 16, 17) est rapporté par le procédé connu CVD ou bien PVD.