Brevet FR2854166A1 — publié le 20041029

Procédé d'obtention d'une barrière thermique flexo-adaptive Description Domaine technique de l'invention L'invention se rapporte aux barrières thermiques flexo-adaptives, c'est à dire aux barrières thermiques présentant une flexibilité suffisante pour résister aux chocs 10 thermiques, et plus particulièrement à un procédé économique pour obtenir de telles barrières par projection thermique. Etat de la technique et problème posé Aujourd'hui, les pièces de turbomachines exposées au flux chaud de gaz de combustion sont réalisées en super-alliages résistant aux hautes températures et protégées de la chaleur et de la corrosion par un revêtement appelé barrière thermique. Une barrière thermique est constituée aujourd'hui habituellement par: * une sous-couche alumineuse de NiPtAI ou de MCrAIY (M = Fe, Ni, Co et NiCo) formant un obstacle chimique à l'oxydation et à la corrosion; * une couche de céramique ZrO2-Y203 thermiquement isolante. Dans ce qui suit et par commodité de langage, on appellera "verticale" la direction 25 sensiblement perpendiculaire à la surface de la pièce sur laquelle on applique la barrière thermique. De la même manière, on appellera "horizontale" les directions sensiblement tangentielles à la surface de la pièce sur laquelle on applique la barrière thermique. 30 La couche de céramique est traditionnellement déposée en plusieurs passes par projection thermique, par exemple avec une torche à arc plasma. A chaque passe, on dépose une couche élémentaire de céramique dont l'épaisseur est habituellement comprise entre 5pm et 40pm, le nombre de couches élémentaires ainsi appliquées 35 définissant l'épaisseur totale du revêtement. Cette façon de procéder permet: * de mieux contrôler l'épaisseur du revêtement; * de réduire l'échauffement de la barrière thermique et d'éviter ainsi les fissurations et l'écaillage du revêtement lors de son refroidissement. Ce procédé présente cependant deux inconvénients: s * La couche de céramique est peu flexibles selon les directions tangentielles à la surface de la pièce. Par conséquent, les barrières thermiques ainsi obtenues résistent mal aux chocs thermiques importants, par exemple au niveau des aubes de turbines, ces barrières thermiques s'écaillant et se détachant assez rapidement. * Les liaisons verticales entre les couches élémentaires sont imparfaites car elles sont 10 assurées par les micro soudures se formant lorsque les gouttelettes de céramique en fusion arrivent sur la céramique précédemment déposée et partiellement refroidie. De ce fait, les couches élémentaires de céramique constituant de telles barrières thermiques tendent à se séparer sous l'effet des chocs thermiques, ce qui provoque également l'écaillage de la barrière thermique. Les barrières thermiques ainsi obtenues par projection plasma sont donc réservées aux pièces fixes ne subissant pas de chocs thermiques telles les chambres de combustion. La couche de céramique est de l'ordre de 0,3mm et sa durée de vie est parfaitement maîtrisée dans ce cas. Afin de mieux protéger les chambres de combustion des turboréacteurs contre la chaleur, des barrières thermiques épaisses, c'est à dire dont l'épaisseur est supérieure à mm, projetées par plasma furent développées. Pour cette application, il était nécessaire d'introduire des fissures verticales dans l'épaisseur du dépôt céramique, afin de rendre le 25 dépôt flexible dans les directions horizontales, c'est à dire tangentielles à la surface de la pièce. Sans ce réseau de fissures unidirectionnelles, les contraintes thermiques en bordure du dépôt seraient trop élevées, et il en résulterait un écaillage de la barrière thermique pendant son exploitation. On connaît à ce titre le brevet US 5,073,433 selon lequel la couche de céramique est déposée par projection thermique en plusieurs passes successives, chaque passe déposant une couche de matière de l'ordre de 5pm, chaque passe étant suivi d'un refroidissement afin de former des fissures verticales. Un tel procédé présente cependant deux inconvénients * Le revêtement en plusieurs passes séparées par une étape de refroidissement entraîne un coût supplémentaire. * Ce procédé présente l'inconvénient habituel des revêtements multicouches précédemment décrit, à savoir des liaisons imparfaites par micro soudures entre les couches élémentaires favorisant la séparation de ses couches élémentaires et l'écaillage de la barrière thermique. Cet inconvénient est aggravé par le refroidissement du dépôt effectué entre chaque couche élémentaire. On connaît également le brevet US 6,306,517 un procédé d'application d'une barrière thermique en couches minces par projection plasma, la liaison entre les couches étant améliorée par la germination colonnaire des grains qui peuvent ainsi devenir communs à 10 plusieurs couches. Avec un tel procédé malheureusement, la germination se fait également latéralement ce qui réduit la flexibilité de la barrière thermique. On connaît aujourd'hui un procédé de dépôt dit "en phase vapeur" et plus particulièrement le EBPVD (Electron Beam Physical Vapour Deposition). La couche 15 céramique obtenue se présente sous la forme de fines colonnes verticales adjacentes liées par leur base à la sous-couche. A titre indicatif, ces colonnes ont un diamètre de l'ordre de 5pm. Un tel procédé donne des barrières thermiques d'excellente qualité présentant une bonne flexibilité horizontale et de bonnes liaisons verticales et résistant par conséquent bien aux chocs thermiques. Un tel procédé présente cependant deux inconvénients: * Il est lent et coûteux; * La barrière thermique conserve malgré tout une durée de vie est limitée, car les gaz de combustion chaud et corrosifs atteignent la sous-couche par les espaces réduits mais très nombreux entre les colonnes, la corrosion progressive de la sous-couche 25 provoquant sa destruction et l'écaillage de la barrière thermique. A noter que d'une manière plus générale, la sensibilité à l'écaillage d'un barrière thermique augmente dans les parties en saillie de la pièce présentant un faible rayon de courbure, donc plus particulièrement avec les petites pièces telles les aubes de turbine. 30 Un premier problème à résoudre est d'améliorer la résistance à l'écaillage des barrières thermiques. Un second problème à résoudre est de réduire le coût d'élaboration d'une barrière 35 thermique. Exposé de l'invention L'invention propose un procédé d'obtention d'une barrière thermique flexo-adaptive, la barrière thermique comportant une couche de céramique déposée sur un substrat 5 recouvert d'une sous-couche, la couche de céramique étant déposée par projection thermique à l'aide d'une torche, le fonctionnement de la torche étant défini par la puissance de la torche, le débit de matière, la distance de la torche à la pièce à revêtir et la vitesse de déplacement de la torche par rapport à la pièce. Un tel procédé est remarquable en ce que: a. La couche de céramique est déposée en une seule passe. b. Le débit de matière, la distance de la torche à la pièce et la vitesse de déplacement de la torche sont réglés à des valeurs appropriées pour donner à la couche de céramique une épaisseur au moins égale à 80pm c. La puissance de la torche est réglée à une valeur suffisante pour que la couche de 15 céramique comporte après refroidissement au moins quatre fissures verticales par millimètres. On comprend que la puissance de la torche étant réglée à une valeur élevée et la couche de céramique produite en une seule passe, les nouvelles gouttes de matière en fusion 20 arrivent sur de la matière encore très chaude, ce qui provoque une excellente liaison par soudure entre les grains de céramique dans la direction verticale. Par ailleurs, la couche de céramique ainsi formée sous le jet étant très chaude, son refroidissement au contact de l'air ambiant, lorsque le jet s'est déplacé, provoque un gradient thermique vertical important, ce gradient thermique favorisant la formation de 25 fissures à la surface de la couche de céramique, ces fissures se propageant ensuite verticalement jusqu'à la sous-couche. Les inventeurs ont constaté que ces deux phénomènes apparaissent simultanément. Avec une puissance trop faible, les fissures sont espacées, très irrégulières et les liaisons verticales entre les grains de matière sont médiocres. En augmentant la puissance de la 30 torche, les fissures sont plus denses et homogènes et les liaisons verticales par micro soudures entre les grains sont simultanément améliorées. Avec une puissance suffisante, c'est à dire suffisamment importante, pour obtenir une densité de fissures au moins égale à la valeur revendiquée, les inventeurs obtiennent une barrière thermique présentant une résistance à l'écaillage satisfaisante jusqu'à une épaisseur de la couche céramique de 35 250pm, la qualité optimale se situant cependant entre 100pm et 150pm. A noter que la puissance de la torche appropriée pour obtenir ce résultat dépend de nombreux paramètres tels la céramique utilisée, la dissipation thermique dans la pièce, le débit de poudre, la largeur du jet, le coefficient de déperdition de la torche, etc. A noter également que l'homme du métier limitera toutefois la puissance de la torche pour ne pas provoquer un échauffement excessif risquant d'entraîner la fusion du substrat ou une altération non admissible de sa structure granulaire. L'épaisseur de la couche de céramique obtenue en une seule passe est évidemment fonction du débit de matière, de la distance de la torche à la pièce et de la vitesse de déplacement de la torche, c'est à dire du jet, par rapport à la pièce, ainsi que du 10 coefficient de déperdition de la torche. Ainsi, l'épaisseur de la couche de céramique augmente avec le débit de matière, mais cette épaisseur diminue lorsque la distance ou la vitesse augmentent. L'homme du métier définira expérimentalement ces paramètres au cas par cas en fonction du matériel dont il dispose. Avantageusement, la torche est une torche dite "à arc plasma" avec injecteur externe de matière. Dans certains cas, il sera utile de doter la torche à arc plasma d'au moins deux injecteurs de poudre afin d'obtenir un débit de matière suffisant. Avantageusement, dans le cas o une torche à arc plasma est utilisée, la distance de projection est comprise entre 20mm et 90mm, la vitesse de déplacement est comprise entre 2mm/s et lOmm/s, le débit de matière est compris entre 40g/mn et 1OOgImn et en ce que la puissance appropriée est obtenue avec une intensité d'arc comprise entre 500A 25 et 800A. L'invention propose également d'appliquer le présent procédé à une aube de turboréacteur comportant une pale et un pied, la couche de céramique étant appliquée sur la pale. Un tel procédé est remarquable en ce que: d. l'aube est tenue par son pied par un outillage pivotant à une vitesse de rotation V selon son axe géométrique, la pale étant exposée au jet d'une torche susceptible d'un déplacement relatif Dl parallèle à l'axe géométrique et d'un déplacement relatif D2 perpendiculaire à l'axe géométrique; e. la projection est effectuée en un seul déplacement du jet depuis l'une des extrémité de la pale jusqu'à son autre extrémité, l'aube étant mise en rotation selon l'axe géométrique, la torche étant déplacée selon D2 pour rester à une distance constante de la surface de la pale, la largeur du jet qui en résulte étant notée L, la torche étant déplacée suivant Dl pour former à la surface de la pale une couche de céramique en spirale de pas L. Description des figures L'invention sera mieux comprise et les avantages qu'elle procure apparaîtront plus clairement au vu d'un exemple détaillé de mise en oeuvre du procédé et des figure annexées. La figure 1 illustre le dépôt de la couche de céramique avec une torche plasma. La figure 2 est une micrographie en coupe de la barrière thermique ainsi obtenue. La figure 3 est une micrographie de la surface de la barrière thermique. Description détaillée On se reportera en premier lieu à la figure 1. La pièce à revêtir d'une barrière thermique est une aube 10 de turbine en superalliage base nickel à solidification dirigée. La barrière thermique comporte une sous couche de MCrAIY recouverte par une couche de céramique de 125pm en zircon ZrO2 avec 8% 25 d'ytrine Y203. La pale 12 de l'aube 10 est recouverte d'une sous couche de MCrAIY déposée selon les procédés habituels. L'aube 10 est ensuite tenue par son pied 14 sur un montage 20 tournant susceptible de faire tourner l'aube sur son axe 16, c'est à dire sur ellemême dans le sens de la longueur, la pale 12 étant présentée devant une torche plasma 30 dont le jet sera référencé 32. La torche plasma 32 est ici le modèle F4 commercialisé par la société dont la raison sociale est Sultzer Metco. La torche est placée à 5Omm de l'aube 10, l'aube 10 étant ensuite mise en rotation sur son axe 16. La torche 30 est mise en fonctionnement et le jet 32 touche d'abord le sommet 18a de l'aube 10 et se déplace progressivement vers le pied 14 pour atteindre l'autre extrémité 18b de la pale 12 et pour former ainsi à la surface de l'aube 10 une couche de céramique 44 ayant la forme d'une hélice à spires jointives. Le jet 32 se déplace à la surface de la pale 12 à une vitesse résultante de 6mm/s. Le débit de poudre 5 est de 70g/mn, et la puissance de la torche est obtenue avec une intensité d'arc de 700A. Le réglage de la torche est dit "chaud", la température du dépôt est de 5500C, cette température étant mesurée à la surface du dépôt juste après le passage du jet 32 et à 10mm en arrière du jet. On se reportera maintenant à la figure 2. Sont référencés 40, 42 et 44 respectivement le substrat, la sous couche et la couche de céramique ainsi obtenue. Les fissures sont référencées 50. Sur cette micrographie, on compte 4,8 fissures par millimètre dont la distance moyenne est de 200pm. Comme le montre la micrographie, les fissures 50 sont sensiblement verticales, c'est à dire 15 sensiblement perpendiculaires au substrat 40. On se reportera maintenant à la figure 3. On voit sur cette micrographie que les fissures 50 forment un réseau localement irrégulier mais statistiquement homogène et anisotrope, ces fissures 50 apportant à la barrière 20 thermique la flexibilité requise suivant un plan tangentiel au substrat 40. La densité de fissures est défini comme étant le nombre moyen de fissures par millimètre coupant une droite géométrique quelconque. Revendications 1. Procédé d'obtention d'une barrière thermique flexo-adaptive, la barrière thermique comportant une couche de céramique (44) déposée sur un substrat (40) recouvert d'une 5 sous-couche (42), la couche de céramique (44) étant déposée par projection thermique à l'aide d'une torche (30) dont le jet est référencé (32), le fonctionnement de la torche (30) étant défini par la puissance de la torche, le débit de matière, la distance de la torche (30) à la pièce (10) à revêtir et la vitesse de déplacement de la torche (30); caractérisé en ce que: a. la couche de céramique (44) est déposée en une seule passe; b. le débit de matière, la distance de la torche (30) à la pièce (10) et la vitesse de déplacement de la torche (30) sont réglés à des valeurs appropriées pour donner à la couche de céramique (44) une épaisseur au moins égale à 80pm; c. la puissance de la torche (30) est réglée à une valeur suffisante pour que la couche de 15 céramique comporte après refroidissement au moins quatre fissures verticales par millimètres. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la torche (30) est une torche à arc plasma avec injecteur externe de matière. 3. Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce la torche (30) à arc plasma comporte au moins deux injecteurs. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la 25 céramique (44) est du ZrO2-Y203. 5. Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que la distance de projection est comprise entre 20mm et 90mm, la vitesse de déplacement est comprise entre 2mm/s et 1Omm/s, le débit de matière est compris entre 40g/mn et 1OOg/mn et en ce que l'intensité 30 d'arc de la torche est comprise entre 500A et 800A. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, la pièce (10) étant une aube d'axe géométrique (16) comportant une pale (12) et un pied (14), la couche de céramique (44) étant appliquée sur la pale (12), caractérisé en ce que: d. l'aube (10) est tenue par son pied (14) par un outillage (20) pivotant à une vitesse de rotation V selon l'axe géométrique (16), la pale (12) étant exposée au jet (32) d'une torche (30) susceptible d'un déplacement relatif Dl parallèle à l'axe géométrique (16) et d'un déplacement relatif D2 perpendiculaire à l'axe géométrique (16); e. la projection est effectuée en un seul déplacement du jet (32) depuis l'une des extrémité (18a, 18b) jusqu'à l'autre extrémité (18b, 18a) de la pale (12), l'aube (10) étant 5 mise en rotation selon l'axe géométrique (16), la torche (30) étant déplacée selon D2 pour rester à une distance constante de la surface de la pale (12), la largeur du jet (32) qui en résulte étant notée L, la torche (30) étant déplacée suivant Dl pour former à la surface de la pale (12) une couche de céramique (44) en spirale de pas L.