Brevet FR2737504A1 — publié le 19970207

La présente invention concerne les objets pourvus d'un revêtement isolant de la chaleur Lorsqu'un objet est susceptible d'etre exposé à des températures élevées, un moyen de le protéger est de le pourvoir d'un revete.went en matière isolant de la chaleur . Si cet objet est métallique, la matiere isolante pourra être une matiere céramique . Les matières céramiques sont particulièrement efficaces pour la protection thermique des objets métalliques du fait qu'elles peuvent avoir des conductibilités thermiques pouvant être de 50 à 100 fois moindres que celle du métal constitutif de l'objet en question . En outre, les matières céramiques peuvent ----------- servir ca protéger des objets métalliques aussi bien exposés/à lterosion qu'aux températures élevées, conditions pouvant se rencontrer, par exemple, dans la partie "turbine" d'un moteur à turbine à gaz . Toutefois, si un objet métallique revêtu d'une matière céramique est chauffé de telle façon que des gradients thermiques prennent naissance dans cet objet, il se produira très vraisemblablement une défaillance du revêtement . Donc, des degrés différents de dilatation thermique dans l'objet métallique aboutiront à ce que des zones de sa surface se dilateront à des taux différents, ce qui entraînera une distorsion du revêtement céramique et, comme ces revêtements céramiques ne tolèrent pas de telles distorsions, ils s fissurent et s'écaillent invariablement au point de se détacher de l'objet . En outre, il arrive quelquefois que des fissurations du revêtement céramique se propagent dans l'objet métallique et l'affaiblissent ou en entraînent éventuellement la défaillance mécanique La présente invention a pour objet de réaliser un objet métallique pourvu d'un revêtement en matièroe céramique isolant de la chaleur, cet objet revêtu pouvant résister aux inconvénients précités dûs aux gradients thermiques Conformément à la présente invention, un objet métallique, réalisé sous forme de conduit thermique, est pourvu d'un revêtement isolant de la chaleur comprenant une matière céramique Dans la présente description, le terme conduit thermique métallique" doit être interprété comme désinant un dispositif de transfert thermique comprenant un récipient métallique hermétiquement clos contenant simultanément une vapeur condensable, métallique ou non, et des organes capillaires, également métalliques ou non, povvont permettre le transport de la vapeur condensée d'une zone froide du récipient métallique a une zone plus chaude de ce récipient, la vapeur condensable étant transportée de la zone chaule à la zone froide par le gradient de pression de vapeur existant entre les deux zones, la vapeur étant condensée dans la zone froide La variation de pression de vapeur selon la température pour des corps tels quesl'eau, l'ammoniac, le mercure, le césium, le potassium, le sodium, le lithium et le plomb, est telle qu'une variation de température dWun ou deux degrés centigrades seulement produit une très grande variation de pression de vapeur . En conséquence, les différences de température survenant sur l'étendue de la longueur d'un conduit thermique sont assez faibles pour rendre ce conduit thermique isotherme Ceci élimine virtuellement les gradients de température à l'intérieur du conduit thermique et réduit le risque d'apparition de fissurations dans un revêtement céramique recouvrant sa surface extérieure De prrsférence, le revêtement isolant de la chaleur selon l'invention comprendra trois couches, une première couche déposée sur l'objet métallique en question, une seconde couche contenant un mélange de métal et de matière céramique, et une troisième couche en matière céramique Ladite. première couche pourra comprendre un alliage à oase de nickel Ladite. seconde couche pourra comprendre un mélange d'un alliage à base de nickel, d'oxyde de magnésium, et de zircone Ladite troisième couche pourra comprendre un mélange d'oxyde de magnésium et de zircone Ledit objet revêtu pourra constituer une partie d'un moteur à turbine à gaz Ladite partie de moteur à turbine à gaz pourra comprendre une aube de turbine profilée aérodynamiquement L'invention sera décrite ci-après en détail en se référant à un exempt préféré, non limitatif, de réalisation représenté sur les dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue de côté d'un moteur à turbine à gaz équipé d'un aubage conforme à la présente invention - la figure 2 est une vue de côté d'une aube profilée aérody namiquement selon------ la présente invention - la figure 3 est une coupe, selon la ligne A-A de la figure 2, de l'aube de ladite figure 2 ; et - la figure 4 est une vue à plus grande échelle d'une partie de la paroi de l'aube de la figure 3 Le moteur à turbine à gaz- 10 représenté å la figure 1 comprend un compresseur 11, un appareillage de combustion 12 et une turbine 13 . Ce moteur à turbine à gaz 10 fonctionne de façon classique, l'air comprimé par le compresseur 17 étant mélangé au carburant et brûlé dans l'appareillage de combustion 12 Les gaz chauds ainsi engendrés se détendent dans la turbine 13 pour magner l'air libre et entraînent ainsi la turbine 13 qui, à son tour, entraine le compresseur 11 . Les gaz chauds prove:nant de l'appareillage de combustion 12 sont dirigés dans la section haute pression 14 de la turbine 13 par une couronne d'aubes de distributeur fixes en alliage à base de nickel dont l'une 15 est représentée à la figure 2 L'aube de distributeur 15 comporte des bandages radialement internes et externes 16 et 17 (par rapport à l'axe longitudinal du moteur 10) séparés par une partie profilée aérodynamiquement 18 . Deux bossages 19 et 20, disposés sur le bandage radialement interne 16, servent à fixer l'aube de distributeur 15 dans la turbine 13 La parcie aérodynamiquenient profilée 18 de l'aube de distribuceur 15 est creuse et représentée plus en détail sur la figure 3 . La totalité àe sa paroi interne 21 est recouverte d'un treillis en acier inoxydable 22 soudé par points -à cette paroi ; l'intérieur creux 28 est vide d'air et contient une faible quantité de sodium . La partie aérodynamiquement profilée 18 constitue donc un conduit thermique La paroi externe 23 de la partie aérodynamiquement profilée 18 est pourvue d'un revêtement isolant de la chaleur 24 comprenant une matière céramique . Le revêtement isolant de la chaleur 24, mieux visible sur la figure 4, est fait de trois couches de matière appliquées séparément . La première couche 25 (intérieure) a une épaisseur comprise entre environ 0,075mm et 0,125mm consiste en un alliage contenant au moins 69,5* en poids de nickel, 15, à 21,5% en poids de chrome, 4,5 à 7,5% en poids d'aluminium, et des traces de magnésium, de carbone, de silicium et de fer . La seconde couche 26 (médiane) a également une épaisseur comprise entre environ 0,075mm et O,i25mm et consiste en un mélange de 35% en poids de l'alliage de la première couche 25, le complément étant constitué par un mélange contenant de 18 à 25 en poids d'oxyde de magnésium et de 75 à 82* en poids de zircone . La troisième couche 27 (extérieure) a une épaisseur comprise entre environ 0, 150mm et O,2OOmm et contient de 18 à 25% en poids d'oxyde de magnésium, le complément étant constitué par de la zircone Il doit être entendu que d'autres matières céramiques que. l'oxyde de magnésium et la zircone pourront être utilisées, telles que, par ex., de la zircone- stabilisée par l'yttrium La première couche, intérieure, 25 est destinée à assurer l'adhérence entre la partie aérodynamiquement profilée 18 de l'aube et la seconde couche, médiane, 26 tandis que cette dernière est destinée à assurer l'adhérence entre la première couche, intérieure, 25 et la troisième couche, extérieure, 27 Les trois couches 25, 25 et 27 sont déposées par nébulisation au plasma Lorsque le moteur tourne, les gaz chauds sortant des chambres de combustion 12 viennent frapper la couronne d'aubes de distributeur de telle façon que chaque aube 15 présente, sur sa partie aérodynamiquement profilée 18, des zones de températu- res différentes . L'échauffement de la partie profilée 18 a pour résultat la fusion, suivie de la vaporisation, du sodium qu'elle contient . Le sodium vaporisé dans les zones chaudes de la partie profilée 18 est transporté, par les différences de pression de vapeur, vers les zones froides où il se condn- se . La chaleur requise pour vaporiser le sodium est donc extraite de ces zones chaudes et est utilisée à échauffer les zones froides lorsque la vapeur de sodium se condense dans ces dernières . Après condensation, le sodium liquide est ramené, par capillarité, à travers le treillis d'acier inoxydable 22 jusqu'aux zones chaudes et le cycle se répète . Donc, par la vaporisation et la condensation constantes du sodium, la partie aérodynamiauement profilée 18 présente une répartition de température prCrnquer?ent - régulière, c'est à dire devient essentiellement isotherme . En conséquence, du fait que la paroi externe 23 de la partie profilée 18 se dilate et se contracte de facon essentiellement régulière, les contraintes mécaniques s'exerçant sur le revêtement isolant de la chaleur 24 sont réduites au minimum Bien que l'invention ait été décrite en se référant à une aube de distributeur de moteur à turbine à gaz, il doit être entendu qu'elle ast applicable à d'autres composants d'un tel moteur et, en fait, à tous objets métalliques isolés au moyen d'un revêtement en matiere céramique et soumis à des contraintes thermiques De plus, la présente invention est applicaÜle à toutes formes de conduits thermiques métalliques, c'est -; dire de conduits thermiques contenant des vapeurs condensables autres que celles du sodium, par exemple du lithium ou du poas3ium, et équipées d'organes capillaires autres qu'un treillis d'acier inoxydable, par exemple du métal poreux, une matière cramique poreuse, ou du verre fritté REVrNDICAT-I0NS 1Objet métallique réalisé sous forme de conduit thermique tel que défini dans la description qui précède, caractérisé en ce que ledit objet métallique est pourvu d'un revêtement isolant de la chaleur comprenant une matière céramique 2. Objet métallique selon la Revendication 1, caractérisé en ce que ledit revêtement isolant de la chaleur comporte trois couches : une première couche métallique déposée sur ledit objet métallique, une second couche contenant un mélange de métal et de matière céramique, et une troisième couche en matiere céramique 3. Objet métallique selon la Revendication 2, caractérisé en ce que ladite première couche métallique comprend un allia ge à base de nickel 4. Objet métallique selon la Revendication 3, caractérisé en ce que ledit alliage à base de nickel contient au moins 69,5% en points de nickel, 15,5 à 21,5% en poids de chrome, 4,5 à 7, 5sso en poids d'aluminium, et des traces de magné sium, de carbone, ----------- de silicium et de fer 5. Objet métallique selon la Revendication 2, caractérisé en ce que ladite seconde couche comprend un mélange dtun allia ge à base de nickel, d'oxyde de magnésium et de zircone 6. Objet métallique selon la Revendication 5, caractérisé en ce que ladite seconde couche comprend un mélange de 35% en poids dudit alliage à base de nickel, 18 à 25% en poids d'oxyde de magnésium, et 75 à 82% en poids de zircone 7. Objet métallique selon la Revendication 6, caractérisé en ce que ledit alliage à base de nickel contient au moins 69,5% en poids de nickel, 15,5 à 21,5% en poids de chrome, 4,5 à 7s5% en poids d'aluminium, et des traces de magnésium, de carbone, de silicium et de fer 8. Objet métallique selon la -evendication 2, caractérisé en ce que ladite troisième couche en matière céramique com prend un mélange d'oxyde de magnésium et de zircone 9. Objet métallique selon la Revendication 8, caractérisé en ce que ledit mélange contient 18 à 25% en poids d'oxyde de magnésium et le complément en zircone 10. Objet métallique selon une quelconque des Revendications 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 ou 9, caractérisé en ce que l'épaisseur de ladite première couche est comprise entre 0,075 et 0,125mm, celle de ladite econde couche est comprise entre 0,075 et 0,125mm, et celle de ladite troisième couche est comprise entre 0,150 et 0,200mm 11. Objet métallique selon la Revendication 2, caractérisé en ce que ladite matière céramique est de la zircone stabili sée par l'yttrium 12. Objet métallique- selon une quelconque des Revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 ou 11, caractérisé en ce que le dit objet métallique pourvu de son revêtement entre dans la constitution d'une pièce de moteur à turbine à gaz 13. Objet métallique selon la Revendication 12, caractérisé en ce que ladite pièce est une aube de turbine profilée aéro dynamiquement