Brevet FR2640688A1 — publié le 19900622

La présente invention concerne des dispositifs d'étanchéité pneumatiques en céramique destinés à être utilisés dans la section de turbine de turbomoteurs et elle est également relative à des revêtements pouvant être usés par frottement du type à deux couches, céramique-métal, liées ensembles. Les turbomoteurs sont largement utilisés en tant que sources de puissance motrice et en particulier pour la propulsion d'aéronefs. Dans un turbomoteur de l'air est admis dans l'extrémité antérieure du moteur et il est comprimé dans des conditions de température et de pression relativement élevées. Cet air comprimé est ensuite mélangé avec un carburant puis brûlé avec celui-ci et les produits de la combustion passent à travers une section de turbine qui extrait la plus grande partie de l'énergie à partir des produits de la combustion. Le rendement d'un turbomoteur est de la plus grande importance à cause de son impact sur les conditions économiques ainsi que sur le rayon d'action sur lequel un aéronef peut voler en toute sécurité sans avoir à être réapprovisionné en carburant. La plupart des turbomoteurs puissants modernes utilisent des turbines et des compresseurs axiaux. Un étage à flux axial comprend une pluralité de profils aérodynamiques montés radialement à la périphérie d'un disque qui est fixé à un arbre. Dans la section du compresseur les profils aérodynamiques agissent sur l'air afin de le comprimer tandis que dans la section de la turbine, ce sont les produits de la combustion qui agissent sur les ailettes de la turbine afin de provoquer sa rotation. Les étages à flux axial sont entourés par une structure de carter qui sert en partie à éliminer la fuite de flux gazeux autour des extrémités libres des ailettes. Une telle fuite entraîne un gaspillage d'énergie et réduit le rendement. Les concepteurs des turbomoteurs modernes se sont beaucoup penchés sur ce problème afin de concevoir des structures d'étanchement efficaces qui comprennent généralement, sur la surface du carter, un revêtement pouvant être usé par frottement, habituellement en combinaison avec un traitement des bouts des ailettes qui rendent ces bouts d'ailettes durs et résistants à l'usure. En cours d'utilisation les bouts des ailettes découpent un sillon dans le revêtement pouvant être usé par frottement, ce qui assure l'étanchéité. La présente invention concerne des dispositifs d'étanchéité présentant une utilité particulière dans les turbomoteurs et en particulier dans ceux du type à flux axial. Ces moteurs comportent des successions alternées d'aubes fixes et d'ailettes mobiles, ces ailettes étant fixées à la périphérie de disques rotatifs montés sur un arbre; La figure 1 est une vue en coupe axiale d'une partie d'un turbomoteur moderne. Les composants importants pour la compréhension de la présente invention comprennent une pluralité de disques rotatifs 1 sur la périphérie externe de chacun desquels sont montées plusieurs ailettes 2. Ces ailettes 2 tournent dans un carter interne 3 et elles sont très proches de celui-ci. Une fuite minimale entre les ailettes 2 et le carter interne 3 est obtenue en prévoyant un joint d'étanchéité 4 (le joint d'étanchéité pneumatique externe) monté sur le carter interne. Dans et sur le carter interne 3 sont montées plusieurs aubes 5 sur les extrémités libres internes 6 desquelles est monté un autre joint d'étanchéité 7 (le joint d'étanchéité pneumatique interne) qui est espacé, en en étant très proche, d'arêtes en lame de couteau 8 montées sur des prolongements des disques 1. L'arête en lame de couteau 8 et le joint d'étanchéité pneumatique interne 7 coopèrent pour réduire les fuites et améliorer le rendement. Dans une variante de conception du moteur les disques ne présentent pas des prolongements intégraux mais ils sont séparés par des entretoises sur lesquelles des arêtes en lame de couteau peuvent être montées. Les joints d'étanchéité auxquels convient tout particulièrement la présente invention, sont montés sur le carter interne 3, en étant adjacents aux extrémités libres des ailettes 2 (joint d'étanchéité pneumatique externe), et sur les extrémités libres 6 des aubes 5 (joint d'étanchéité pneumatique interne). Les joints d'étanchéité suivant la présente invention sont de préférence montés sur des substrats fixes conçus pour venir en contact avec des composants mobiles. La présente invention concerne des structures d'étanchéité pour turbine qui ont pris différentes formes suivant la technique antérieure. Les brevets US-4 481 237 et 4 588 607 décrivent certaines des solutions les plus couramment envisagées dans lesquelles ont été envisagées des structures complexes pulvérisées par plasma, variant, du point de vue composition, d'un métal sur une surface à une céramique sur une surface externe, avec des variations de composition, de contrainte et de porosité entre eux. Ces structures ont habituellement une épaisseur de l'ordre de 4mm et elles sont coûteuses car elles exigent un contrôle attentif de la température du substrat et des conditions de pulvérisation par plasma, pendant le dépôt de nombreuses couches, afin d'obtenir la structure correcte pouvant être usée par frottement et durable. De telles structures épaisses de joint d'étanchéité sont érodées et se révèlent défaillantes si les paramètres relatifs à l'opération de dépôt ne sont pas suivis étroitement. De même en service ces joints d'étanchéité, avec leur contraintes variables apparaissant, sont soumis à des dommages de la part d'objets étrangers. Lorsqu'un endommagement de joints d'étanchéité épais. apparaît, il se produit une fuite excessive à travers l'intervalle résultant relativement large. Par conséquent un but de la présente invention est de fournir un joint d'étanchéité en céramique pouvant être usé par frottement dans lequel l'épaisseur globale du joint est réduite à 1,27mm et de préférence à environ 0,76mm. Un autre but de la présente invention est de fournir un revêtement en céramique à deux couches, pouvant être usé par frottement, de faible qualité, dans lequel il ne se produit aucun changement de composition ou de porosité à l'exception de la seule modification qui apparaît à l'interface entre le revêtement primaire déposé et le revêtement en céramique externe. Un autre but de l'invention est de fournir un revêtement en céramique à deux couches, pouvant être usé par frottement, qui peut être appliqué sans la nécessité d'un contrôle critique de la température du substrat pendant l'application du joint d'étanchéité. Les caractéristiques et avantages précédents de la présente invention, ainsi que d'autres, ressortiront clairement de la description qui va suivre. Suivant l'invention on applique un revêtement en céramique pulvérisée par plasma sur un substrat ou une garniture d'étanchéité métallique. Ce substrat est réalisé à partir d'un superalliage conventionnel à base de nickel ou de cobalt, par coulée et usinage à la dimension voulue. Sur ce substrat est appliqué un revêtement primaire déposé en un matériau du type MCrAlY. Dans le cadre de cette demande, MCrAlY désigne les revêtements métalliques bien connus dans lesquels M peut être constitué par du nickel, du cobalt, du fer et des mélanges de nickel et de cobalt, Cr représente le chrome, A1 représente l'aluminium et Y l'yttrium. On peut. ajouter de petites quantités d'éléments additionnels tels que le platine, le silicium et l'hafnium, sans sortir du cadre de l'invention. Plus particulièrement la composition de MCrAlY préférée est celle qui est donnée dans le brevet US N 4 585 481 et on peut se reporter également aux brevets US N 3 676 , 3 754 903 et 3 928 026. Ce revêtement primaire déposé du type MCrAlY est appliqué en utilisant la technique de pulvérisation par plasma à basse pression dans laquelle le pistolet de pulvérisation à plasma et le substrat sont placés tous les deux dans une chambre qui est adaptée de manière à avoir son atmosphère réduite à une pression de 13,3 millibars pendant le processus de pulvérisation. L'utilisation de cette technique assure l'obtention d'un revêtement primaire de bonne qualité et à intégrité élevée. La dimension de particule préférée pour le revêtement primaire déposé est comprise entre 15 et 60 micromètres, et de préférence la dimension de particule moyenne est d'environ 25 micromètres. Avant la pulvérisation la surface du substrat peut être nettoyée en utilisant le processus de transfert d'arc inverse qui est bien connu de l'homme de l'art pour éliminer les agents contaminants de la surface du substrat. Le revêtement primaire déposé est ensuite appliqué de manière qu'il atteigne une épaisseur comprise de préférence entre 0,13 et 0,25 millimètre. Il est encore plus préférable d'obtenir une épaisseur allant de 0,15 à 0,20 millimètre mais d'une manière plus large des revêtements minces ayant une épaisseur pouvant être réduite à 0,10 millimètre peuvent être utilisés, au détriment de la durée de vie totale du joint d'étanchéité, et on peut également appliquer des revêtements ayant une épaisseur pouvant atteindre 0,38 millimètre mais ces revêtements primaires d'épaisseur plus grande ne sont généralement pas préférés parce qu'ils entraînent une augmentation de poids sans améliorer notablement les performances. Pendant l'application du revêtement primaire déposé, le substrat est chauffé à une température de l'ordre de 927 C et pouvant aller de 815 à 1038oC. On applique ensuite la couche en céramique poreuse, pouvant être usée par frottement, cette couche étant constituée de zircone (oxyde de zirconium) stabilisée avec 6 à 8% d'yttria (oxyde d'yttrium). L'utilisation de ce matériau est cruciale pour le succès du revêtement global puisqu'il assure l'obtention d'une structure dure en céramique à plusieurs phases. Cette céramique est pulvérisée au moyen d'un plasma, de préférence dans l'air, et la température du substrat est maintenue à moins de 260 C. La dimension de particule céramique peut aller d'environ 5 micromètres à environ 175 micromètres et le diamètre moyen est de préférence de 50 micromètres. Une porosité est créée volontairement à l'intérieur du revêtement en céramique externe pouvant être usé par frottement, par suite de l'incorporation d'une petite quantité de poudre de polyester ou de lucite dans la céramique. L'utilisation, avec la céramique, d'une poudre de polyester à raison de 1,5 à 3,0 pour-cent en poids (dimension de particule nominale de 60 micromètres) produit une porosité de l'ordre de 20 à 30%. On préfère utiliser couramment de 1,5% à 3% en poids de polyester ce qui se traduit par une porosité résultante de 20 à 30% en volume mais on a également utilisé 5% en poids de polyester ce qui a donné, sans difficulté, une porosité d'environ 35% en volume. Des niveaux de porosité élevés, supérieurs à environ % en volume, donnent des revêtements susceptibles de subir des dommages par érosion. Des niveaux de porosité inférieurs à % en volume ne sont pas satisfaisants parce qu'ils provoquent une usure excessive des bouts des ailettes. De préférence la porosité est d'environ 21-27% en volume. L'épaisseur du revêtement en céramique va de 0,63 millimètre à 1,27 millimètres et il est compris de préférence entre 0,63 et 0,89 millimètre. Des épaisseurs de revêtement inférieures à environ 0,63 millimètre n'assurent pas une tolérance de frottement suffisante pendant le fonctionnement normal du moteur, c'est-à-dire que les bouts des ailettes de turbine peuvent pénétrer complètement, par érosion, à travers le revêtement en céramique et agir sur le revêtement primaire déposé sousjacent et sur le substrat, avec des conséquences indésirables. Une épaisseur du revêtement bien supérieure à environ 1,27 millimètres peut entraîner une usure. Après le dépôt du revêtement en céramique, le résidu du polyester incorporé dans le mélange est éliminé par chauffage par exemple pendant 30 minutes à une température allant de 593 C à 705 C, dans l'air, et le substrat revêtu de céramique est ensuite traité thermiquement pendant une période de temps allant de 1 heure à 10 heures, à une température de 9821120 C (une période de 4 heures à une température de 1080 C étant préférée), dans une atmosphère non oxydante, afin de rendre maximale l'adhérence du revêtement primaire déposé sur le substrat. Bien que le traitement thermique assurant l'adhérence du revêtement primaire sur le substrat soit appliqué couramment après le dépSt du revêtement externe en céramique, il pourrait aussi être exécuté avant l'étape de dépôt du revêtement en céramique. Le revêtement en céramique décrit précédemment coopère avec les bouts des ailettes qui portent de préférence une portion abrasive à leurs extrémités libres. Le matériau abrasif préféré est le carbure de silicium qui peut être appliqué suivant un grand nombre de techniques ainsi qu'il est décrit dans les brevets US 4 386 112, 4 610 698 et 4 689 242. On préfère utiliser des particules de carbure de silicium enrobées d'alumine (voir les brevets US 4 249 913 et 4 741 973), dans une matrice métallique à haute température (voir les brevets US 4 610 698, 4 735 656 et 4 744 725). L'enrobage d'alumine sur le carbure de silicium réduit l'interaction entre le carbure de silicium et le matériau de la matrice qui se produirait sans cela. L'usage d'autres abrasifs, comprenant notamment le nitrure de bore cubique, n'est toutefois pas à exclure. Le projet du moteur est déterminé de telle façon que l'intervalle nominal entre le substrat du joint d'étanchéité et le bout de chaque ailette, au cours du fonctionnement du moteur, soit compris dans une gammne de valeurs allant d'une valeur supérieure à Omm jusqu'à une valeur inférieure, l'épaisseur du revêtement en céramique et de préférence une zone d'épaisseur de 0,25 millimètre exempte de toute interaction par frottement est prévue à la fois vers l'intérieur du revêtement primaire déposé et vers l'extérieur de la surface libre du revêtement en céramique. Le revêtement suivant l'invention est avantageux en ce qu'il est simple à appliquer, d'un faible poids, peu coûteux, qu'il présente peu d'interfaces pour l'amorçage de rupture et qu'il contient une seule composition de céramique. La céramique particulière qui est utilisée, a une bonne durée de vie à la température à laquelle elle est utilisée et elle assure une bonne qualité d'isolation thermique, en protégeant ainsi la structure support métallique. Si un défaut devait apparaître pour une raison quelconque, l'intervalle total qui en résulterait, serait beaucoup plus petit que celui résultant d'un défaut d'un joint d'étanchéité ayant une épaisseur de 3,8 millimètres. REVENDICATION 1.- Dispositif d'étanchéité pouvant être usé par frottement, pour un turbomoteur, comprenant un joint d'étanchéité (4,7) et un composant (2,8) d'une turbine coopérant avec ce joint (4,7), caractérisé en ce que le joint d'étanchéité (4,7) comporte un substrat de joint d'étanchéité en superalliage, un revêtement primaire métallique du type MCrAlY déposé sur la surface du substrat, ayant une épaisseur allant d'environ 0,13 à 0,25 millimètre, une couche en céramique poreuse, pouvant être usée par frottement, sur la surface du revêtement primaire déposé, cette couche en céramique poreuse, pouvant être usée par frottement, étant constituée essentiellement de zircone stabilisée avec environ 6% à environ 8% d'yttria, cette couche en céramique poreuse, pouvant être usée par frottement, ayant une porosité d'environ à 35% en volume et une épaisseur allant d'environ 0,63 millimètre à environ 1,27 millimètres, et en ce que le composant (2,8) de la turbine comporte un revêtement abrasif sur une portion de ce composant, ce composant étant disposé et adapté de manière à se déplacer par rapport au joint d'étanchéité de telle façon que le revêtement abrasif puisse agir sur la couche de céramique poreuse pouvant être usée par frottement, afin d'assurer l'étanchéité.