Brevet FR2867714A1 — publié le 20050923

L'invention concerne un procédé de polissage de pièce protégée par un revêtement céramique. Il est fréquent d'utiliser ce type de pièce dans les moteurs à turbine, terrestres ou aéronautiques. Ce sont généralement des pièces mécaniques en alliage métallique, protégées par un revêtement céramique de faible conductivité thermique. Les constructeurs de moteurs à turbine sont confrontés depuis plus de trente ans à des impératifs d'augmentation du rendement des moteurs, et de diminution de leur consommation en carburant et des émissions polluantes de gaz ou d'imbrûlés. Ces impératifs conduisent à augmenter la température des gaz chauds qui sortent de la chambre de combustion et traversent la turbine, pour se rapprocher de la stoechiométrie de combustion du carburant. En conséquence, il faut adapter à cette élévation de température les pièces du moteur destinées à être au contact desdits gaz chauds, comme les aubes de turbines, ou les volets chauds des moteurs équipant les avions militaires. Une première solution consiste à réaliser des pièces en alliage métallique à hautes performances thermomécaniques, de confection et de 20 façonnage complexes. Une seconde solution qui permet de réduire les coûts de fabrication, consiste à réaliser des pièces en alliage métallique plus ordinaire, de façonnage simple, puis à déposer sur ces dernières un revêtement céramique de faible conductivité thermique, appelé barrière thermique. Un tel revêtement céramique permet de créer sur une pièce refroidie, en régime permanent de fonctionnement, un gradient thermique au travers du revêtement dont l'amplitude totale peut dépasser 200 C pour un revêtement de 150 pm d'épaisseur environ. Comme la température de fonctionnement de l'alliage sous-jacent formant le substrat pour le revêtement se trouve diminuée du même gradient, on réalise des gains importants sur le volume d'air nécessaire au refroidissement de ladite pièce, on améliore la durée de vie de cette dernière et on réduit la consommation spécifique du moteur. Toutefois, que les revêtements céramiques soient déposés par projection thermique, comme la projection thermique plasma, par dépôt 2867714 2 physique en phase vapeur sous faisceau d'électrons (Electron Beam Physical Vapor Deposition EB-PVD), ou par procédé en phase chimique, comme l'aluminisation, leur surface présente une rugosité élevée. Cette rugosité élevée constitue un inconvénient car elle rend la pièce plus absorbante aux flux radiatifs émis par la combustion du carburant, ou par d'autres corps chauds du moteur (chambre de combustion, aubes et distributeurs...), ce qui contribue à l'échauffement de la pièce que l'on souhaite éviter. En outre, la résistance à l'érosion, et donc la durée de vie de la pièce, est d'autant plus faible que sa surface présente une forte rugosité. Par ailleurs, dans le domaine de l'aéronautique, les revêtements céramiques sont généralement appliqués à des pièces de moteur qui en plus de devoir présenter une bonne résistance à la chaleur, doivent répondre à certaines exigences aérodynamiques et par conséquent avoir une surface peu rugueuse. De plus, une surface rugueuse retient les résidus solides ou liquides issus des produits de la combustion du carburant. Or, ces résidus en s'accumulant redessinent les profils aérodynamiques, et modifient de manière défavorable les propriétés thermiques dudit revêtement. On connaît diverses techniques utilisées pour réduire la rugosité d'une pièce protégée par un revêtement céramique, comme le polissage manuel ou semi-automatique, ou encore la rectification de la pièce à la meule. Toutefois, ces techniques connues sont onéreuses, principalement en raison des frais de main-d'oeuvre, et leur utilisation est limitée à des pièces de géométrie simple. En outre, dans le cas d'une rectification à la meule, il existe des risques de fissuration de la pièce à rectifier. De tels inconvénients ont considérablement freiné le développement de ces techniques connues, et pourtant jusqu'à présent, aucune alternative n'a été envisagée. La présente invention a pour objet un nouveau procédé de polissage d'une pièce protégée par un revêtement céramique. Le procédé de polissage de l'invention comporte les étapes suivantes: - on place au moins une pièce protégée par un revêtement céramique à l'intérieur d'un contenant renfermant des cailloux abrasifs de dureté supérieure à celle dudit revêtement, et - on met en mouvement ledit contenant de sorte que les cailloux se déplacent, le mouvement relatif des cailloux par rapport à la pièce faisant naître des frottements entre ces cailloux et le revêtement de la pièce, à l'origine du polissage. Dans le présent mémoire, l'expression caillou abrasif est employée pour désigner tout type de morceau de matériau abrasif, sans réserve de taille, de forme, ou de composition. De plus, bien qu'il soit fait régulièrement allusion dans le présent mémoire à une pièce, plusieurs pièces peuvent être polies simultanément grâce au procédé de l'invention. Pour cela, il suffit de disposer une pluralité de pièces à polir à l'intérieur dudit contenant. La possibilité de polir en même temps plusieurs pièces est d'ailleurs un des avantages de l'invention par rapport aux procédé connus. Un tel procédé de polissage est susceptible d'être utilisé quelle que soit la forme de la pièce à polir, les cailloux permettant d'épouser parfaitement les contours de cette dernière. De plus, ce procédé permet de limiter les risques d'endommager la pièce, la pression exercée par les cailloux abrasifs sur la pièce étant moins importante et mieux répartie que lors d'une rectification à la meule. Enfin, ce procédé est simple à mettre en oeuvre, et peut être entièrement automatisé. Ceci permet de réduire considérablement le coût de l'opération de polissage, et principalement les coûts de main d'oeuvre, par rapport aux techniques connues. Selon un mode particulier de mise en oeuvre du procédé de l'invention le mouvement du contenant est un mouvement vibratoire. Ce type de mouvement est obtenu par exemple en fixant le contenant à une table vibrante, c'est à dire un plateau équipé d'un dispositif vibrant et reposant sur des pieds amortisseurs. Le mouvement vibratoire du contenant se communique aux cailloux enfermés à l'intérieur du contenant, de sorte qu'ils sont eux-même animés d'un mouvement vibratoire. Vu de la pièce, le mouvement vibratoire des cailloux est un mouvement alternatif. Avantageusement, le mouvement relatif des cailloux par rapport à la pièce est un mouvement alternatif car ce type de mouvement permet d'obtenir rapidement un bon polissage de la pièce. La vitesse du polissage dépend essentiellement de la fréquence et de l'amplitude du mouvement alternatif des cailloux par rapport à la pièce. Avantageusement, ce mouvement alternatif a une fréquence comprise entre 3 et 30 Hz et/ou une amplitude comprise entre 5 et 20 mm. Selon un mode particulier de mise en oeuvre du procédé de l'invention, le déplacement des cailloux à l'intérieur du contenant ne se réduit pas à un mouvement vibratoire, mais se décompose en un mouvement vibratoire et en un mouvement global à l'origine de l'homogénéité du polissage. En d'autres termes, d'une part, localement, les cailloux ne cessent de vibrer de sorte que leur mouvement consiste en un va-et-vient permanent, la fréquence de ce mouvement vibratoire est élevée et l'amplitude des vibrations est de l'ordre du millimètre ou de la dizaine de millimètres. Ce mouvement vibratoire favorise le polissage de la pièce. D'autre part, globalement, c'est à dire à l'échelle du contenant, les cailloux se déplacent. Comparé au mouvement vibratoire, ce mouvement global est plus lent et son amplitude est nettement plus importante, il dépend de la forme du contenant et favorise l'homogénéité du polissage, plutôt que le polissage en lui même. Le mouvement global qui anime les cailloux sera dénommé ci-après mouvement de convection ou mouvement convectif. Selon un mode particulier de mise en oeuvre du procédé de l'invention, dit mode flottant , on laisse la pièce libre de se mouvoir parmi les cailloux lors du polissage, de sorte que les cailloux l'entraînent dans leur mouvement. La pièce se déplace alors librement à l'intérieur du contenant, et on notera qu'un faible rapport entre les dimensions de la pièce et celles du contenant favorise ce déplacement. Le mode flottant est préféré pour le polissage de pièces protégées par un revêtement céramique de forme complexe, comme les pièces présentant des angles vifs, des rayons de courbure serrés, et de manière générale un relief marqué. La pièce étant libre de se mouvoir parmi les cailloux, le mode flottant favorise l'uniformité du polissage de la pièce, au détriment du temps de polissage. Selon un autre mode particulier de mise en oeuvre du procédé de polissage selon l'invention, dit mode fixe , le mouvement de la pièce 2867714 5 à l'intérieur du contenant est limité. Ainsi, soit la pièce est maintenue dans une position fixe au sein du contenant, soit elle est partiellement maintenue. Par exemple, il peut être intéressant de limiter le mouvement d'une pièce présentant une symétrie de révolution à la rotation de cette pièce autour de son axe de révolution. On peut également maintenir la pièce tout en lui faisant décrire un mouvement précis à l'intérieur du contenant. Le mode fixe permet de réduire la durée du polissage, mais exige des pièces de forme simple, comme des pièces présentant peu de relief et/ou des symétries. Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, lesdits cailloux abrasifs sont réalisés en un matériau formé par exemple par frittage et comprenant: - des particules d'un abrasif de dureté supérieure ou égale à 8 sur l'échelle 15 de Mohs, comme le corindon; et - un liant de dureté inférieure ou égale à 5 sur l'échelle de Mohs, comme un ciment silico-alumineux. Avantageusement, les cailloux ont des formes diverses, mais toujours anguleuses afin de favoriser le polissage des zones creuses de la pièce les moins accessibles, et au contraire limiter le polissage des zones de relief. Avantageusement, les cailloux sont compris dans un volume cubique qui varie entre 0.5 et 4 cm3. Cette échelle de taille de caillou est particulièrement adaptée à des pièces à polir qui ont des dimensions de l'ordre du centimètre, ou de la dizaine de centimètres. Le choix de la taille des cailloux doit être effectué en fonction des dimensions et éventuellement du relief de la pièce à polir; il faut de préférence chercher à épouser les contours de cette pièce pour garantir un polissage homogène et de qualité. En règle générale, la taille des cailloux doit être d'autant plus réduite que la pièce présente de faibles dimensions et un relief marqué. On notera que dans certains cas, pour des pièces de géométrie complexe, le polissage est légèrement plus important sur les zones de relief que sur les zones creuses. Aussi, lorsque de faibles tolérances d'épaisseur de revêtement sont exigées, il peut être nécessaire de déposer 2867714 6 localement des surépaisseurs de revêtement afin de tenir compte de l'inégalité d'érosion lors du polissage. Avantageusement, pendant tout ou partie de l'opération de polissage, on arrose la pièce, par exemple avec de l'eau, éventuellement mélangée à ou remplacée par une lessive détergente. Ceci permet de nettoyer la surface de la pièce à polir, et de limiter l'échauffement de cette dernière. Le procédé de polissage selon l'invention concerne particulièrement les pièces de moteur d'avion protégées par un revêtement céramique, et destinées à être au contact de gaz chauds lors du fonctionnement du moteur, comme les chambres de combustion des moteurs, les aubes de turbines, les canaux de gaz chauds, ou les volets chauds des moteurs d'avions militaires. La présente invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée d'un mode de mise en oeuvre particulier du procédé de l'invention, illustré par les figures suivantes: - La figure 1 représente de manière schématique un exemple de dispositif utilisé pour mettre en oeuvre le procédé de polissage de l'invention; - Les figures 2 à 4 représentent respectivement en vue négative la surface d'une pièce protégée par un revêtement céramique, brut de fabrication, après deux heures, et après douze heures de polissage selon le procédé de l'invention; - La figure 5 est un graphique représentant l'évolution de l'écart moyen de rugosité des surfaces représentées figures 2 à 4, noté Ra, exprimé en microns (dam), par rapport au temps de polissage t, exprimé en heures. La figure 1 représente un exemple de dispositif utilisé pour polir, selon le procédé de l'invention, une pièce 10 protégée par un revêtement céramique, comme une aube de turbine. Ce dispositif comprend un châssis 12 mobile, un socle 14 fixe et un système d'amortissement 16 placé entre ces deux éléments 12, 14. Le châssis 12 comprend dans sa partie supérieur un contenant 18 rempli au moins aux deux tiers de cailloux abrasifs 11, dans lequel la pièce 10 à polir a été placée. Dans la partie inférieure le châssis 12 se situe une pièce tournante 20, par exemple une roue, entraînée en rotation autour de son axe 22 par 2867714 7 un moteur (non représenté). Cette pièce tournante 20 est solidaire du châssis 12 et porte à un emplacement excentré une pièce lourde formant balourd 24, de sorte que le centre de gravité de la pièce 20 ne correspond pas avec l'axe de rotation 22. Le châssis 12 comprend également à son extrémité inférieure un plateau 25 qui forme le fond du châssis. Le système d'amortissement 16, formé par exemple par des ressorts, se situe entre le plateau 25 et le socle 14. Lorsque la pièce tournante 20 est entraînée en rotation par le moteur, le balourd 24 associé au système d'amortissement 16 fait vibrer l'ensemble du châssis 12, et donc le contenant 18. L'amplitude des vibrations est d'autant plus importante que la distance entre l'axe de rotation 22 et le centre de gravité de la pièce 20 est grande. L'ensemble formé par le socle 14, le système d'amortissement 16, la partie inférieure 12 du châssis portant la pièce tournante 20 et son balourd 24, et le moteur entraînant cette pièce 20, constitue une table vibrante. Dans l'exemple représenté sur la figure 1, le contenant 18 a sensiblement la forme d'un cylindre, et est orienté de façon que son axe soit sensiblement horizontal. Il présente dans sa partie supérieure une ouverture 26 à travers laquelle on introduit les cailloux abrasifs 11, et la pièce 10 à polir. Compte tenu de la forme du contenant et des vibrations auxquelles il est soumis, le déplacement des cailloux 11 résulte de la combinaison de deux mouvements: un mouvement vibratoire local de faible amplitude, et un mouvement aléatoire global de plus grande amplitude. Dans l'exemple représenté, la pièce 10 n'est pas fixée (on est en mode flottant ) et est donc entraînée par les cailloux, de sorte qu'elle adopte également un mouvement aléatoire: elle tourne sur elle même tout en se déplaçant à l'intérieur du contenant, comme représenté figure 1. Ce mouvement aléatoire global permet d'obtenir une érosion uniforme de la pièce. Avantageusement, de manière à favoriser le déplacement de la pièce 10 à l'intérieur du contenant 18, le rapport entre le volume de la pièce 10 et celui des cailloux 11 est inférieure à 1/7. Bien entendu, il est possible de polir plusieurs pièces simultanément selon le procédé de l'invention. Pour ce faire on dispose ces pièces à l'intérieur du contenant 18. Dans ce cas c'est le volume total des pièces à polir qui est inférieur à un septième du volume des cailloux. 2867714 8 Le mouvement vibratoire des cailloux induit par la table vibrante se traduit en un mouvement alternatif entre les cailloux 11 et la pièce 10, accompagné de frottements qui provoquent l'abrasion du revêtement de la pièce 10, c'est à dire le polissage recherché. Comme représenté sur la figure 1, une buse 28 est disposée au dessus de l'ouverture 26 du contenant 18 de manière à arroser d'eau les cailloux 11 et la pièce 10 lors du polissage. Le débit de l'arrosage est sensiblement égal à un litre par minute. Un conduit d'évacuation (non représenté) qui débouche dans le fond du contenant 18 permet d'évacuer l'eau. L'exemple de dispositif décrit ci-dessus permet de mettre en oeuvre le procédé de polissage d'une pièce protégée par un revêtement céramique selon l'invention, et donc d'obtenir un polissage homogène de cette pièce en une seule opération. On comprend toutefois que d'autres dispositifs pourraient être utilisés pour mettre en oeuvre le procédé de l'invention. Ainsi, tout autre dispositif comprenant un contenant monté sur une table vibrante, quel que soit le mode de réalisation de cette table vibrante conviendrait. De même, tout dispositif susceptible d'entraîner le contenant suivant un mouvement de rotation et de faire naître un mouvement relatif entre les cailloux abrasifs et la pièce protégée par un revêtement céramique, permettrait d'obtenir un polissage de cette dernière. Ce mouvement de rotation pourrait être alternatif ou non. Le contenant pourrait également être entraîné selon un mouvement résultant d'une combinaison de plusieurs mouvements de rotation ayant des axes de rotation distincts. les figures 2 à 4, représentent en vue négative la surface d'une pièce protégée par un revêtement de zircone-yttrine (ZrO2/Y202) déposé par projection thermique plasma, la pièce en question étant un volet chaud de turbo-réacteur militaire. Le procédé de polissage selon l'invention peut toutefois s'appliquer à tout type de pièce protégée par un revêtement céramique. L'évolution du relief de la surface de la pièce, représentée sur ces figures, illustre clairement la réduction de la rugosité ce cette surface. Plusieurs mesures ont été effectuées sur le profil de la surface de la pièce (ledit profil correspondant à l'acquisition bi-dimensionnelle de la surface) à des temps t de polissage différents pour caractériser la rugosité de cette pièce. Ainsi, pour une longueur d'évaluation Ln sensiblement égale à 10 mm, on a mesuré la hauteur totale du profil primaire notée Rt, telle que définie dans la norme ISO 4287 (1997/Cor 1:1998), exprimée en microns (pm), la mesure de l'écart moyen de rugosité Ra, tel que défini dans les normes ISO 4287, ou ASME B46.1-2002, exprimé en microns (pm), la mesure de l'écart quadratique de rugosité Rq, tel que défini dans les normes ISO 4287, ou ASME B46.1-2002, exprimé en microns (pm), et la mesure des facteurs d'asymétrie et d'aplatissement du profil Rsk et Rku, tels que définis dans les normes DIN EN ISO 4287 et ASME B46. 1. Ces mesures sont reportées dans le tableau 1 suivant: t (en heures) 0 2 12 Rt (pm) 75.69 43.77 23.32 Ra (pm) 7.83 3.00 0.89 Rq (pm) 9.94 4. 12 1.40 Rsk 0.8 2.0 3.6 Rku 3.9 9.7 27.2 La figure 5 reprend sous forme de graphique les valeurs de Ra 15 mesurées en fonction du temps t de polissage, la Ra étant représentative de la rugosité du revêtement céramique. Avant polissage (t=0 heure), la valeur de Ra était de 7,83 microns; cette valeur correspond à la valeur du revêtement céramique brut de fabrication. Après deux heures (t=2) de polissage en mode dit flottant la Ra n'était plus que de 3 microns et après douze heures (t=12), la Ra atteignait 0,89 micron. Ces résultats mettent en évidence la nette diminution de la rugosité de la surface d'un revêtement céramique après deux heures de polissage selon le procédé de l'invention. Cette diminution est également visible sur les figures 2 à 4. De manière générale, d'autres facteurs que le temps de polissage influent sur le résultat du polissage, comme la forme de la pièce à polir, la dureté des abrasifs utilisés ou encore le mode de polissage choisi: fixe ou flottant . 2867714 10 Des tests ont été effectués pour comparer les différents écarts moyens de rugosité Ra obtenus, pour une même pièce, par différents procédés de polissage connus et par le procédé de l'invention. Ces tests ont été menés, d'une part, sur une pièce protégée par un revêtement céramique déposé par projection thermique plasma et, d'autre part, sur une pièce protégée par un revêtement céramique déposé par un procédé de dépôt physique en phase vapeur sous faisceau d'électrons, ou dépôt EB-PVD. Les résultats de ces tests sont reportés dans les tableaux 2 et 3 cidessous: Tableau 2 Céramique déposée par projection plasma Ra (pm) Dépôt standard 10 +/- 2 Dépôt + refusion laser 3 +/- 0.5 Polissage manuel 2 +/- 0.2 Polissage selon l'invention 0.9 +/- 0.2 Tableau 3 Céramique déposée par EB-PVD Ra (pm) Dépôt standard 2 +/- 0.5 Polissage manuel 1 +/- 0.1 Polissage selon l'invention 0.5 +/- 0.1 Dans le tableau 2 figurent les valeurs de Ra mesurées en microns respectivement pour: - une pièce sur laquelle on a déposé un revêtement céramique par projection thermique plasma, ou projection plasma, standard ; - une pièce sur laquelle on a déposé un revêtement céramique par projection plasma standard suivi d'un procédé de refusion laser; ce dernier procédé, bien connu de l'homme du métier, consiste à balayer au moyen d'un laser la surface de la pièce recouverte du revêtement céramique, de manière à refondre ce dernier pour diminuer sa rugosité ; - une pièce sur laquelle on a déposé un revêtement céramique par projection plasma standard et qui a ensuite été polie manuellement; et 2867714 11 - une pièce sur laquelle on a déposé un revêtement céramique par projection plasma standard et qui a ensuite été polie selon le procédé de l'invention durant 12 heures. On observe que pour ce type de revêtement, la Ra obtenue avec le procédé de l'invention est environ dix fois plus faible que la Ra du dépôt par projection plasma standard sans traitement ultérieur, et environ deux fois plus faible que la Ra obtenue après un polissage manuel. Dans le tableau 3 figurent les valeurs de Ra mesurées en microns respectivement pour: - une pièce sur laquelle on a déposé un revêtement céramique par un dépôt EB-PVD standard ; - une pièce sur laquelle on a déposé un revêtement céramique par dépôt EB- PVD standard et qui a ensuite été polie manuellement; et - une pièce sur laquelle on a déposé un revêtement céramique par dépôt EB- PVD standard et qui a ensuite été polie selon le procédé de l'invention durant 12 heures. On remarque que pour ce type de revêtement, la Ra obtenue avec le procédé de polissage selon l'invention est environ quatre fois plus faible que la Ra du dépôt EB-PVD standard sans traitement ultérieur, et environ deux fois plus faible que la Ra obtenue après un polissage manuel. En conséquence, il ressort de ces résultats que la mise en oeuvre du procédé de polissage selon la présente invention diminue de manière très sensible la rugosité de la surface des revêtements céramiques obtenus selon les techniques de dépôt couramment utilisées. 12 REVENDICATIONS 1. Procédé de polissage de pièce protégée par un revêtement céramique, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: - on place au moins une pièce (10) protégée par un revêtement céramique à l'intérieur d'un contenant (18) renfermant des cailloux abrasifs (11) de dureté supérieure à celle du revêtement de ladite pièce (10), et - on met en mouvement ledit contenant (18) de sorte que les cailloux (11) se déplacent, le mouvement relatif des cailloux par rapport à la pièce (10) faisant naître des frottements entre ces cailloux et le revêtement de la pièce, à l'origine du polissage. 2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le mouvement du contenant (18) est un mouvement vibratoire. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mouvement du contenant (18) est obtenu par une table vibrante à laquelle est fixée ledit contenant. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mouvement relatif des cailloux (11) par rapport à la pièce (10) est un mouvement alternatif. 5. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit mouvement alternatif présente une amplitude comprise entre 5 et 20 mm et/ou une fréquence comprise entre 3 et 30 Hz. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le déplacement des cailloux (11) à l'intérieur du contenant (18) se décompose en un mouvement vibratoire et en un mouvement global qui favorise l'homogénéité du polissage. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on laisse la pièce (10) libre de se mouvoir parmi les cailloux (11) lors du polissage. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on limite le mouvement de la pièce (10) à l'intérieur du contenant (18) lors du polissage. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 35 précédentes, caractérisé en ce que les cailloux (11) sont de forme anguleuse. 2867714 13 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les cailloux (11) sont compris dans un volume cubique qui varie entre 0.5 et 4 cm3. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape au cours de laquelle on arrose ladite pièce (10), cette étape d'arrosage étant mise en oeuvre pendant tout ou partie du polissage. 12. Utilisation du procédé de polissage de pièce protégée par un revêtement céramique selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour des pièces de moteur d'avion destinées à être au contact de gaz chauds lors du fonctionnement dudit moteur.