Brevet FR2606456A1 — publié le 19880513

La présente invention a pour objet un revête- ment isolant de la chaleur pour une turbine à gaz, revêtement qui consiste en une nappe de fibres constituée de fibres céramiques portant, sur son côté tourné vers les gaz chauds, une couche qui contient des oxydes métalliques. Les turbines à gaz prévues en particulier pour l'utilisation dans la construction de véhicules doivent fonctionner, pour des raisons économiques, à de très hautes températures opératoires, d'environ 1 300 C et au-dessus. Les parties métalliques porteuses du logement de turbine doivent être isolées de la chaleur résultant de ces hautes températures. Dans la demande de brevet de la RFA DOS 26 30 247, on décrit une isolation thermique constituée d'une nappe de fibres céramiques sur laquelle on a appliqué, sur la face tournée vers les gaz chauds, une couche d'oxydes métalliques. Toutefcis, dans la demande de brevet de la RFA DOS 34 46 649, on indique que ces revêtements n'ont pas une résistance suffisante aux chocs thermiques, de sorte au'en fonctionnement, il apparaît dans le revêtement des crevasses conduisant très rapidement, sous l'effet de la haute énergie mécanique des gaz en écoulement, à des dégradations du revêtement. La présente invention vise à un perfectionnement des revêtements isolant de la chaleur pour turbines à gaz, consistant en une nappe fibreuse constituée de fibres céramiques portant, sur.;a face tournée vers les gaz chauds, une couche contenant des oxydes métal- liques, perfectionnement qui permettrait d'éviter toute dégradation du revêtement sous l'effet de contraintes thermiques variables. D'autres buts et avantages de l'invention appa- raitront à la lecture de la description ci-après. Ces buts ont été atteints dans un revêtement isolant de la chaleur pour une turbine à gaz, consistant en une nappe constituée de fibres céramiques portant, sur sa face tournée vers les gaz chauds, une couche conte- nant des oxydes métalliques, ce revêtement se caracté- risant en ce que la nappe de fibres constituée de fibres céramiques a une densité apparente de 350 à 450 kg/m3, et les fibres de la nappe en contact avec la couche conte- nant des oxydes métalliques sont dirigées principalement de manière que l'axe longitudinal des fibres forme avec la couche contenant des oxydes métalliques un angle de 30 à 90 . On supprime les risques d'apparition de cre- vasses de tension et, par. suite,-de destruction du revête- ment d'une part en utilisant une nappe de fibres céramiques ayant une densité apparente de 350 à 450 kg/ m3 et d'autre part en donnant aux fibres de la nappe qui sont en contact avec la couche contenant des oxydes métalli- ques une orientation préférentielle telle que leur axe longitudinal forme avec la couche contenant des oxydes métalliques un angle de 30 à 90 . On parvient aux meil- leurs résultats lorsgue la couche contenant des oxydes métalliques est appliquée sur les faces frontales des fibres, c'est-à-dire que l'axe longitudinal des fibres forme un angle d'environ 90c avec la couche contenant les oxydes métalliques. La matière fibreuse constituant la nappe de fibres céramiques consiste en les fibres couramment utilisées pour leur résistance à haute température, le cas échéant avec un liant qui consiste en silice colloidale En général, il s'agit de fibres du système A1203, SiO2, à très forte teneur en A1203. Selon la teneur en A1203, elles sont préparées soit par soufflage ou filage de masses de silicates fondues (fibres d'aluminosilicates), soit par filage de solutions (fibres de mullite, fibres d'alumine). Le cas échéant, les fibres d'aluminosilicate peuvent être stabilisées par des petites quantités de Cr203. La densité apparente des nappes formées à partir de ces fibres doit se situer entre 350 et 450 kg/rm3 environ. Lorsqu'on passe en dessous de cet intervalle, il y a amoindrissement de la résistance mécanique et de l'aptitude de la matière fibreuse à la formation de couches, et lorsqu'on dépasse la densité de 450 kg/m3, il y a augmentation de la conductibilité thermique de la matière fibreuse et amoindrissement de la résistance aux changements de température. De préférence, on utilise une nappe fibreuse à une densité apparente d'environ 400 kg/m3. Selon les conditions techniques particulières, l'épaisseur de la nappe peut être importante et elle est souvent de 30 mnr et plus. Pour la fabrication des nappes, on dirige les fibres de manière que la couche contenant des oxydes métalliques puisse se placer essentiellement à un angle d'environ 90 par rapport à l'axe longitudinal des fibres. Cette liaison de la couche contenant des oxydes métalliques avec les surfaces frontales de fibres assure une résistance particulièrement forte aux chocs thermiques. Toutefois, on a constaté aue la résistance aux chocs thermiques était encore suffisante jusqu'à un angle d'environ 30 . Mais si l'angle est plus petit, on ne peut pas parvenir à une durabilité suffi- sante du revêtement. Les matières de la couche contenant des oxydes métalliques sont en premier lieu des revêtements du système A1203, SiO2 à condition qu'ils possèdent la résistance nécessaire aux hautes températures. A ces constituants principaux: A1203 et éventuellement SiO2, on peut encore mélanger, dans des proportions variables, d'autres constituants du type oxydes, servant de stabili- sants ou de liants. On peut ainsi faire varier dans un intervalle considérable et adapter aux propriétés de la matière fibreuse diverses propriétés du revêtement, par exemple la dilatation à la chaleur ou la température de ramollissement. Dans certains cas, il y a avantage à enrouler la couche contenant des oxydes métalliques autour des bords de la nappe fibreuse, de sorte que seule la face arrière de la nappe reste non revêtue. La couche contenant des oxydes métalliques peut être appliquée sur la nappe fibreuse par des procédés variés. On peut préparer des couches réfractaires de poudres de mullite, de spinelle et d'Al 203 de manière particulièrement simple par le procédé de pulvérisation dans un plasma. Dans le jet de plasma, les particules de poudre sont bien fondues, elles sont fluides et lorsqu'elles entrent en contact avec la nappe fibreuse, elles peuvent s'ancrer solidement avec la matière fibreuse. Les mêmes observations s'appliquent à la pul- vérisation dans une flamme, dans laquelle on peut utiliser les mêmes matières. Outre ces procédés de pulvérisation à la chaleur, on peut également exploiter une application de la couche contenant des oxydes métalliques sous forme d'une glaçure. Les glaçures peuvent être constituées de nombreux oxydes. Pendant la cuisson, elles forment une phase liquide qui, après solidification, adhère par mouillage sur la matière de base. En raison de la bonne compatibilité chimique avec la nappe de fibres céramiques, on préfère les couches du système A1203, SiC2. Selon la technique de revêtement, pulvérisation ou immersion, la glaçure pénètre plus ou moins profondément dans la nappe de fibres. Du fait que les revêtements doivent pouvoir résister à des températures allant jusqu'à 1250 C et au-dessus, l'utilisation de glaçures de frittes pures ne convient pas. En effet, elles con- tiennent en général des grandes quantités de B203 qui vaporisent audessus de 1200 C. Il faut également éviter des fortes proportions d'alcalis dans la glaçure car elles contribuent à un ramollissement de la glaçure à des températures relativement basses. Pour des raisons de compatibilité chimique, il faut éviter des adjonctions de PbO et ZnO dans la glaçure car il pourrait se produire des réactions avec les fibres dans la région du contact. Outre les glaçures classiques, on peut égale- ment utiliser des engobes. Les engobes sont des glaçures d'argile qui, dans la plupart des cas, sont encore poreuses après la cuisson et ne brillent pratiquement pas. Elles consistent en un mélange d'une chamotte kaolinique et d'une glaçure de silicate qui sert de liant. On applique une suspension de ces deux constituants à l'état de pâte ou de barbotine sur la nappe fibreuse et, après vaporisation du milieu de suspension qui est en cénéral de l'eau, on cuit sur la nappe. Un autre moyen de préparer la couche contenant des oxydes métalliques qui doit protéger les fibres de la nappe contre l'érosion par les gaz en écoulement, consiste à les revêtir d'Al 203 à l'aide d'une barbotine 2 3 d'alumine puis à cuire. Un avantage de ces revêtements d'alumine réside en ce que les constituants du corps de base, c'est-à-dire la nappe de fibres et la couche de couverture, ont des propriétés chimiques et physiques analogues. Les barbotines d'alumine à liant de phosphate prennent déjà bien au séchage, de sorte qu'on obtient des revêtemEnts qui ont une résistance mécanique suffi- sante à l'état cru. Le phosphate d'aluminium AlPO4 qui se forme agit comme "liant à haute température" et confère aux masses contenant de l'alumine une haute résistance à l'abrasion. La barbotine d'alumine peut être appliquée sur les corps fibreux de manière particulièrement avanta- gtuse par enduction. Outre les barbotines d'alumine à liant de phosphate, on peut également utiliser des barbo- tines d'alumine à liant de silice. Un avantage de l'uti- lisation de la silice colloidale en tant que liant réside en ce que le revêtement peut être considéré comme appartenant au système Al203, SiO2 et en ce que la formation recherchée de mullite aux endroits de contact est favorisée. En plus d'Al 203 et SiO2, la barbotine peut également contenir MgO ainsi que, en plus petites quantités, CaO et K20. Les nappes de fibres convenant pour le revête- ment peuvent être préparées par compression ou, à partir d'une suspension des fibres, par essorage du liquide de suspension. A l'opération d'essorage, les fibres s'orientent alors perpendiculairement à la direction d'essorage. Pour les nappes de fibres très épaisses qui doivent être soumises à des transports, il peut y avoir avantage à utiliser d'abord une nappe dans laquelle les fibres sont habituellement dirigées parallèlement à la surface, sur laquelle on applique une deuxième couche de fibres, par exemple d'épaisseur différente, le cas échéant en insérant une couche de liant, les fibres de cette couche formant alors un angle de 30 à 90 avec la couche contenant des oxydes métalliques qui doit être appliquée. L'épaisseur de la couche contenant des oxydes métalliques doit être adaptée à la matière de base, pour ce qui concerne la dilatation à la chaleur et le module d'élasticité, afin d'éviter des tensions excessives dans l'ensemble. En général, des épaisseurs de couche de plus de 200 Nm se sont révélées suffisantes. On préfère les épaisseurs de couche de 200 à 500 Nm car les couches ont alors une très bonne résistance mécanique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la descrip- tion ci-après des figures du dessin annexé qui représentent, dans deux modes de réalisation différents donnés à titre d'exemples, et en coupe, un revêtement isolant de la chaleur se'lon l'invention. En référence tout d'abord à la figure 1, les fibres de la couche fibreuse 1 consistant essentielle- ment en A1203, font pour la plupart un angle d'environ à 90 avec la couche d'Al203 2 appliquée par pulvé- risation dans un plasma. Sur la figure 2, la couche fibreuse consiste en deux couches partielles 11 et 12. La couche conte- nant des oxydes métalliques est placée sur la couche 12 dans laquelle les fibres sont essentiellement per- pendiculaires à la couche contenant des oxydes métal- liques, et cette couche 12 est liée, par insertion d'une couche de liaison céramique 13, à la couche 11 dans laquelle les fibres ont la disposition habituelle, parallèle à la couche 20. On notera que la nappe de fibres peut prendre des formes autres que celles d'un corps plat, y compris des formes compliquées; ainsi par exemple, elle peut porter des saillies, elle peut avoir la forme d'un tronc de pyramide ou une forme conique et d'autres formes analogues. Les avantages atteints conformément à l'in- vention résident surtout en ce que, en respectant les paramètres selon l'invention de densité apparente et d'orientation des fibres, on peut former de manière sim- ple des revêtements isolant de la chaleur qui sont mé- caniquement durables et ont une résistance extraordinaire aux chocs thermiques. R E V E N D I C A T I O N 4/-Re\êtement isolant de la chaleur pour une turbine à gaz, consistant en une nappe constituée de fibres céramiques portant, sur sa face tournée vers les gaz chauds, une couche contenant des oxydes métalliques. caractérisé en ce que la nappe (1;12) constituée de fibres céra- miques a une densité apparente de 350 à 450 kg/m3 et les fibres de la nappe (1;12) en contact avec la couche (2:20) contenant des oxydes métalliques sont orientées principalement de manière que l'axe longitudinal des fibres forme a\ec la couche (2:25) contenant les oxydes métalliques un angle de 30 à 950 .