Brevet FR2941967A1 — publié le 20100813

L'invention concerne une méthode de fabrication d'une barrière thermique recouvrant une pièce réalisée dans un substrat métallique en superalliage, ainsi que la pièce thermomécanique résultant de cette méthode de fabrication. La recherche de l'augmentation du rendement des turbomachines, en particulier dans le domaine aéronautique, et de la diminution de la consommation en carburant et des émissions polluantes de gaz et d'imbrûlés ont conduit à se rapprocher de la stoechiométrie de combustion du carburant. Cette situation s'accompagne d'une augmentation de la température des gaz sortant de la chambre de combustion en direction de la turbine. Aujourd'hui, la température limite d'utilisation des superalliages est de l'ordre de 1100°C, la température des gaz en sortie de chambre de combustion ou en entrée de turbine pouvant atteindre 1600°C. En conséquence, il a fallu adapter les matériaux de la turbine à cette élévation de température, en perfectionnant les techniques de refroidissement des aubes de turbines (aubes creuses) et/ou en améliorant les propriétés de résistance aux températures élevées de ces matériaux. Cette deuxième voie, en combinaison avec l'utilisation des superalliages à base de nickel et/ou de cobalt, a conduit à plusieurs solutions parmi lesquelles le dépôt d'un revêtement isolant thermique dénommé barrière thermique composé de plusieurs couches, sur le substrat en superalliage. L'utilisation des barrières thermiques dans les moteurs aéronautiques s'est généralisée depuis une vingtaine d'années et permet d'augmenter la température d'entrée des gaz dans les turbines, de réduire le flux d'air de refroidissement et ainsi d'améliorer le rendement des moteurs. En effet, ce revêtement isolant 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 100°C pour un revêtement de 150 à 200 pm d'épaisseur environ présentant une conductivité de 1.1 W.m-1.K-1. La température de fonctionnement du métal sous-jacent formant le substrat pour le revêtement se trouve diminuée du même gradient, ce qui induit des gains important sur le volume d'air de refroidissement nécessaire, la durée de vie de la pièce et la consommation spécifique du moteur à turbine. Il est connu de recourir à l'utilisation d'une barrière thermique comprenant une couche de céramique à base de zircone stabilisée à l'oxyde d'yttrium, à savoir une zircone yttriée comprenant une teneur molaire d'oxyde d'yttrium entre 4 et 12% (notamment entre 6 et 8%), qui présente un coefficient de dilatation différent du superalliage constituant le substrat et une conductivité thermique assez faible. La zircone stabilisée peut également contenir dans certains cas au moins un oxyde d'un élément choisi dans le groupe constitué de terres rares, de préférence dans le sous-groupe : Y (yttrium), Dy (dysprosium), Er (erbium), Eu (europium), Gd (gadolinium), Sm (samarium), Yb (ytterbium), ou une combinaison d'un oxyde de tantale (Ta) et d'au moins un oxyde de terre rare, ou avec une combinaison d'un oxyde de niobium (Nb) et d'au moins un oxyde de terre rare. Parmi les revêtements utilisés, on citera l'utilisation assez générale d'une couche de céramique à base de zircone partiellement stabilisée à l'oxyde d'yttrium, par exemple Zro.92 Y0,08O1,96. Afin d'assurer l'ancrage de cette couche de céramique, une sous-couche métallique, avec un coefficient de dilation proche du substrat, est généralement interposée entre le substrat de la pièce et la couche de céramique. De cette façon, la sous-couche métallique permet tout d'abord de réduire les contraintes dues à la différence entre les coefficients de dilatation thermique de la couche de céramique et du superalliage formant le substrat. Cette sous-couche assure également l'adhérence entre le substrat de la pièce et la couche de céramique, sachant que l'adhérence entre la sous-couche et le substrat de la pièce se fait par inter-diffusion, et que l'adhérence entre la sous-couche et la couche de céramique se fait par ancrage mécanique et par la propension de la sous-couche à développer à haute température, à l'interface céramique/sous-couche, une couche d'oxyde mince qui assure le contact chimique avec la céramique. En outre, cette sous-couche métallique assure la protection du superalliage de la pièce contre les phénomènes de corrosion et d'oxydation (la couche de céramique est perméable à l'oxygène). En particulier, il est connu d'utiliser une sous-couche constituée d'un aluminiure de nickel comprenant un métal choisi parmi le platine, le chrome, le palladium, le ruthénium, l'iridium, l'osmium, ' le rhodium, ou un mélange de ces métaux et/ou un élément réactif choisi parmi le zirconium (Zr), le cerium (Ce), le lanthane (La), le titane (Ti), le tantale (Ta), l' hafnium (Hf), le silicium (Si) et l'yttrium (Y). Par exemple, on utilise un revêtement de type Ni(i_x)PtxAl, dans lequel le platine est en insertion dans le réseau du nickel. Le platine est déposé par voie électrolytique avant le traitement thermochimique d'aluminisation. Cette sous-couche métallique peut dans ce cas être constituée d'un aluminiure de nickel modifié platine (Ni, Pt)Al, selon un procédé comprenant les étapes suivantes: la préparation de la surface de la pièce par décapage chimique et sablage; le dépôt sur la pièce, par électrolyse, d'un revêtement de platine (Pt); le traitement thermique éventuel de l'ensemble pour faire diffuser Pt dans la pièce; le dépôt d'aluminium (AI) par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) ou par dépôt physique en phase vapeur (PVD); le traitement thermique éventuel de l'ensemble pour faire diffuser Pt et AI dans la pièce; la préparation de la surface de la sous-couche métallique formée; et le dépôt par évaporation sous faisceau d'électrons (EB-PVD) d'un revêtement en céramique. De façon traditionnelle, ladite sous-couche est constituée d'un alliage apte à former une couche d'alumine protectrice par oxydation : en particulier, l'utilisation d'une sous-couche métallique comprenant de l'aluminium engendre par oxydation naturelle à l'air une couche d'alumine AI2O3 qui recouvre toute la sous-couche. Habituellement, la couche de céramique est déposée sur la pièce à revêtir soit par une technique de projection (en particulier projection plasma) ou de dépôt par voie physique en phase vapeur, c'est-à-dire par évaporation (par exemple par EB-PVD ou � Electron Beam Physical Vapour Deposition � formant un revêtement déposé dans une enceinte d'évaporation sous vide sous bombardement électronique). Dans le cas d'un revêtement projeté, un dépôt d'oxyde à base de zircone est effectué par des techniques du type projection plasma sous atmosphère contrôlée, ce qui conduit à la formation d'un revêtement constitué d'un empilement de gouttelettes fondues puis trempées par choc, aplaties et empilées de façon à former un dépôt densifié de manière imparfaite d'une épaisseur généralement comprise entre 50 micromètres et 1 millimètre. Un revêtement déposé par voie physique, et par exemple par évaporation sous bombardement électronique, engendre un revêtement constitué d'un assemblage de colonnettes dirigées sensiblement de manière perpendiculaire à la surface à revêtir, sur une épaisseur comprise entre 20 et 600 micromètres. Avantageusement, l'espace entre les colonnettes permet au revêtement de compenser efficacement les sollicitations thermomécaniques dues, aux températures de service, au différentiel de dilatation avec le substrat en superalliage. Ainsi, on obtient des pièces avec des durées de vie élevées en fatigue thermique à haute température. Classiquement, ces barrières thermiques créent donc une discontinuité de conductivité thermique entre le revêtement extérieur de la pièce mécanique, formant cette barrière thermique, et le substrat de ce revêtement formant le matériau constitutif de la pièce. Cependant ; les systèmes standards de barrière thermique actuels présentent certaines limites parmi lesquelles : - le fait que la résistance à l'oxydation des substrats de lère génération, type AMI et/ou AM3 n'est pas optimisée en terme de résistance à l'écaillage du système barrière thermique. Un superalliage de aère génération de type "AMI", présente la composition suivante, en pourcentages en poids : 5 à 8% Co ; 6,5 à 10% Cr ; 0,5 à 2,5% Mo ; 5 à 9%W; 6à 9%Ta;4,5 à 5,8%Al;1 à2%Ti; 0 à 1,5% Nb ; C, Zr, B chacun inférieur à 0,01% ; le complément à 100% étant constitué par Ni. - du fait d'une relative fragilité de la sous-couche métallique à partir d'une certaine température (par exemple la sous-couche métallique 13-(Ni,Pt)AI présente une température de transition de phase ductile-fragile de l'ordre de 700°C) : il apparaît, pour des fortes sollicitations mécaniques, une fissuration prématurée de la sous-couche qui se propage ensuite dans le substrat et conduit à la déformation de la pièce, voire jusqu' à la rupture de cette dernière. Dans l'art antérieur, pour améliorer la résistance à l'oxydation du système barrière thermique, on a proposé d'ajouter de l'hafnium (Hf) dans le substrat ou directement dans la composition de la sous-couche métallique. En effet, il est connu que l'hafnium améliore la résistance à l'oxydation du système mais permet également de réduire significativement l'endommagement au niveau de l'interface sous-couche métallique/substrat (Référence : � Effect of Hf, Y and C in the underlying superalloy on the rumpling of diffusion aluminide coatings � - Acta Materialia, Volume 56, Issue 3, February 2008, Pages 489-499, V.K. Tolpygo, K.S. Murphy, D.R. Clarke). Les techniques classiques permettant de contrôler la quantité d'hafnium dans la composition finale de la sous-couche métallique sont très difficiles à mettre en oeuvre. En outre, il existe un risque important pour qu'en présence d'hafnium des précipités se forment dans la sous-couche métallique lors du dépôt de sorte que l'hafnium ne peut alors plus jouer son rôle de protection contre l'oxydation. De plus, il faut noter que le dépôt d'hafnium par les techniques de dépôt physique en phase vapeur (PVD) présente un coût relativement élevé. Dans l'art antérieur, pour améliorer la résistance thermomécanique de la pièce, on a principalement proposé des évolutions de la composition chimique du substrat, en particulier par l'ajout de plusieurs pourcentages de Re (Rhénium), notamment entre 3 et 6%. L'effort a porté principalement sur l'optimisation chimique du substrat métallique et très peu d'études ont porté simultanément sur le couple substrat/sous-couche métallique. Ainsi, aucune solution n'a jusqu'à ce jour permis d'améliorer à la fois la résistance à l'oxydation du substrat et la résistance thermomécanique de la pièce, sans que l'amélioration de l'un de ces aspects ne détériore l'autre aspect. La présente invention a pour objectif de fournir un procédé permettant de surmonter les inconvénients de l'art antérieur et en particulier offrant la possibilité d'améliorer simultanément d'une part la durée de vie à l'écaillage de la barrière thermique en renforçant ses propriétés de résistance à l'oxydation et d'autre part la résistance thermomécanique de la sous-couche métallique de cette barrière thermique. A cet effet, selon la présente invention, on propose une méthode de fabrication d'une barrière thermique recouvrant une pièce réalisée dans un substrat métallique en superalliage, caractérisée en ce que l'on met en oeuvre les étapes suivantes : a) on utilise une pièce dont le substrat métallique en superalliage comporte du hafnium (Hf), avec un rapport entre la quantité de hafnium et la quantité de carbone supérieure à 1 (Hf/C>1). b) on dépose sur le substrat une couche d'un métal de la mine du platine (platinoïdes) pour former une sous-couche d'accrochage métallique (13), c) on effectue un traitement thermique de ladite pièce après l'étape b), et d) on dépose une couche de céramique (14). Par métal de la mine du platine ou platinoïde, on entend le platine, le palladium, l'iridium, l'osmium, le rhodium ou le rhuténium. De cette manière, on comprend que par la présence d'hafnium dans le substrat, ce substrat ainsi dopé procure au système de barrière thermique une source d'hafnium susceptible de migrer dans la sous-couche métallique pour lui permettre de lutter contre l'oxydation. D'autre part, par l'utilisation d'une sous-couche métallique résultant du seul dépôt d'un métal de la mine du platine, on a pas recours à une sous-couche métallique de type aluminiure de nickel modifié platine (Ni, Pt)Al qui est non seulement sensible aux transformations de phase durant le vieillissement du revêtement à haute température, et de ce fait fragilise les propriétés mécaniques de la barrière thermique, mais résulte en outre d'un procédé d'obtention relativement complexe en plusieurs étapes. En effet, l'utilisation d'une sous-couche métallique résultant du seul dépôt d'un métal de la mine du platine évite en particulier l'étape de dépôt d'aluminium par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) ou par dépôt physique en phase vapeur (PVD). Globalement, grâce à la solution selon la présente invention, il est possible de proposer un traitement simple à mettre en oeuvre et tout à fait efficace. Selon d'autres caractéristiques préférentielles : - le substrat métallique est un superalliage à base de nickel, en particulier un superalliage monocristallin, et - le substrat métallique est un superalliage à base nickel de type AMI, qui présente la composition suivante, en pourcentages en poids : 5 à 8% Co ; 6,5 à 10% Cr ; 0,5 à 2,5% Mo ; 5 à 9% W ; 6 à 9% Ta ; 4,5 à 5,8% Al ; 1 à 2% Ti ; 0 à 1,5% Nb ; C, Zr, B chacun inférieur a 0,01% ; le complément à 100% étant constitué par Ni. La présente invention porte également sur la pièce thermomécanique résultant de la méthode de traitement décrite précédemment. En particulier, la présente invention porte sur une pièce thermomécanique réalisée dans substrat métallique en superalliage, et recouverte d'une barrière thermique comprenant au moins une sous-couche métallique et une couche de céramique, pour laquelle ladite couche de céramique est à base de zircone yttriée comprenant une teneur molaire d'oxyde d'yttrium entre 4 et 12%. La présente invention porte également sur une pièce thermomécanique pour une turbomachine, et notamment une chambre de combustion, aube de turbine, une portion de distributeur, en particulier de turbine, une portion d'une virole extérieure ou intérieure d'une turbine, ou une portion de la paroi d'une chambre de combustion et toute pièce thermomécanique susceptible d'être revêtue d'un système de barrière thermique. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe schématique montrant partiellement une pièce mécanique revêtue d'une barrière thermique, et - la figure 2 est une coupe micrographique représentant les différentes couches de la barrière thermique à la surface de la pièce, et - la figure 3 est une coupe micrographique représentant les différentes couches de la barrière thermique à la surface de la pièce, après service alors qu'une zone de la couche de céramique s'est écaillée. La pièce thermomécanique représentée partiellement sur la figure 1 comporte un revêtement de barrière thermique 11 déposé sur un substrat 12 en superalliage, tel que les superalliages à base de nickel et/ou de cobalt. Le revêtement de barrière thermique 11 comporte une sous-couche métallique 13 déposée sur le substrat 12, et une couche de céramique 14, déposée sur la sous-couche 13. Dans le cadre de la présente invention, on privilégie des superalliages à base nickel tels que ceux de type AMI qui présentent la composition suivante, en pourcentages en poids : 5 à 8% Co ; 6,5 à 10% Cr;0,5à2,5%Mo;5à9%W;6à9%Ta; 4,5à5,8%Al; 1à2%Ti; 0 à 1,5% Nb ; C, Zr, B chacun inférieur a 0,01% ; le complément à 100% étant constitué par Ni. Selon une première caractéristique essentielle de l'invention, le substrat a été lors de sa fabrication, enrichi en hafnium. Ainsi, la quantité massique de hafnium (Hf) contenue dans le substrat métallique est avantageusement comprise entre 0,01 et 2%, de préférence entre 0,05 et 1%, de préférence entre 0,08 et 0,5%, et de préférence de l'ordre de 0,1%. Ces quantités faibles permettent de doper très légèrement le substrat en hafnium sans provoquer d'abattement des propriétés mécanique du substrat. Le système de barrière thermique dispose alors d'un réservoir en éléments réactifs dans le substrat, qui peuvent migrer à la surface du substrat et dans la sous-couche métallique, et qui sont bénéfiques pour la résistance à l'oxydation du système de barrière thermique. Selon une autre caractéristique essentielle de l'invention, le rapport entre la quantité de hafnium et la quantité de carbone présentes dans le substrat est supérieur à 1 (Hf/C>1). Pour des systèmes barrières thermiques standards, cet ajout d'Hafnium dans le substrat ne présente un intérêt que pour de faibles concentrations en carbone. L'affinité des éléments réactifs tels que l'Hafnium est très grande vis à vis du carbone de sorte qu'un tel ratio Hf/C>1 est nécessaire pour éviter que le carbone ne provoque la formation de carbures à coeur. Il est donc indispensable d'avoir une teneur en hafnium toujours supérieur à la teneur en carbone dans le substrat. De façon optionnelle, dans l'étape a), on utilise une pièce dont le substrat métallique en superalliage comporte en outre du silicium et/ou du zirconium et/ou de l'yttrium, dans des quantités totales d'éléments réactifs (Hf, Si, Zr, Y) comprises entre 0,01 et 2% massique, de préférence entre 0,05 et 1%, de préférence entre 0,08 et 0,5%, et de préférence de l'ordre de 0,1%. Selon une autre caractéristique essentielle de l'invention, la sous-couche métallique 13 est réalisée dans un métal de la mine du platine (platinoïdes), et de façon préférentielle en platine. Cette sous-couche métallique 13 est par exemple déposée par voie électrolytique et/ou voie physique (PVD). En particulier, on prévoit qu'à l'étape b) de la méthode de fabrication conforme à l'invention, on dépose une couche de métal de la mine du platine (platinoïdes) présentant une épaisseur comprise entre 5 et 15�m, soit de quelques micromètres seulement. La sous-couche de liaison 13 n'est donc pas constituée de la sous-couche métallique classique d'aluminiure de nickel contenant du platine (Ni, Pt)Al et qui présente une épaisseur plus importante, de l'ordre de 40 à 8011m. De plus, on prévoit que lors de l'étape c), on effectue un traitement thermique de la pièce comprenant un traitement de diffusion compris entre 1000 et 1100°C pendant 30 à 60 minutes. La couche de céramique 14 est constituée de zircone yttriée 15 comprenant une teneur molaire d'oxyde d'yttrium entre 4 et 12% (zircone partiellement stabilisée). La zircone stabilisé 14 peut également contenir dans certains cas au moins un oxyde d'un élément choisi dans le groupe constitué de terres rares, de préférence dans le sous-groupe : Y (yttrium), Dy 20 (dysprosium), Er (erbium), Eu (europium), Gd (gadolinium), Sm (samarium), Yb (ytterbium), ou une combinaison d'un oxyde de tantale (Ta) et d'au moins un oxyde de terre rare, ou avec une combinaison d'un oxyde de niobium (Nb) et d'au moins un oxyde de terre rare. Lors de la fabrication, la sous-couche de liaison 13 s'est oxydée 25 préalablement au dépôt de la couche de céramique 14, d'où la présence d'une couche intermédiaire d'alumine 15 entre la sous-couche 13 et la couche de céramique 14, du fait de la migration des atomes d'Al depuis le substrat 12 vers la sous-couche 13. On retrouve sur la vue de la figure 2 les différentes couches 30 précitées, avec une structure colonnaire typique de la couche de céramique 14 présente en surface. Un des avantages de la présente invention réside dans le fait que lorsque le substrat est un superalliage monocristallin à base de nickel, on conserve la structure y-y' du superalliage. Contrairement au système 35 classique (Ni,Pt)AI couramment employé par l'ensemble des motoristes, il ne se produit en effet, selon l'invention, aucune transformation de phase durant le vieillissement du revêtement à haute température. On peut ainsi conserver les propriétés mécaniques intrinsèques du substrat. Un autre avantage majeur de la présente invention est de ne pas augmenter la fragilité du système de barrière thermique présente à la surface du substrat. En effet, la sous-couche de liaison 13 de platine diffusé seul sur AMI (sans aluminisation) présente des propriétés mécaniques voisines d'un substrat en AMI non revêtu. Après différents tests (en particulier de fatigue oligocyclique), le demandeur a constaté qu'aucun abattement mécanique n'est généré avec ce type de barrière thermique dans les domaines de température et de contrainte vus par la pièce. En effet, il résulte de ces essais que la résistance en cyclage thermique de ce système de barrière thermique est comparable à celle obtenue avec une barrière thermique comportant la sous-couche métallique classique (Ni,Pt)Al. Il a notamment été constaté que le ce système de barrière thermique obtenu selon la méthode de fabrication conforme à l'invention est toujours opérationnel après 100 et 500 cycles d'lh à 1100°C: la figure 3 est une coupe micrographique montrant qu'après service, même lorsque la couche de céramique 14 s'est écaillée, le substrat 12 est toujours indemne et protégé de l'oxydation grâce à la couche d'alumine 15 présente en surface, au dessus de la sous-couche métallique 13. Un autre avantage de cette barrière thermique selon l'invention concerne la suppression de l'étape classique d'aluminisation. Il s'ensuit une réduction globale du coût lors de l'élaboration du revêtement qui est de l'ordre de 10%. Grâce à la méthode de fabrication selon l'invention, l'introduction d'éléments réactifs (Hf et éventuellement Si, Zr et/ou Y) dans le substrat engendre une augmentation de la durée de vie à l'écaillage du système de barrière thermique. Il s'ensuit un écaillage très retardé de la couche de céramique 14 par rapport à un substrat ne contenant pas ces centièmes de % à quelques % d'éléments réactifs. Enfin, il faut relever que le fait de rajouter l'hafnium dans le substrat est intéressant car la solubilité de cet élément est plus important dans les phases gamma et gamma prime (superalliage base nickel) par rapport à la phase beta de la sous-couche métallique classique (Ni,Pt)AI) utilisé dans les systèmes de barrière thermique standards. La solution proposée par la présente invention présente un certains nombres d'autres avantages, parmi lesquels il faut relever : - - une augmentation de la durée de vie à l'écaillage de la barrière thermique, - Une réduction de la fragilité du système de barrière thermique à basse température (T REVENDICATIONS1. Méthode de fabrication d'une barrière thermique (11) recouvrant une pièce réalisée dans un substrat métallique en superalliage, caractérisée en ce que l'on met en oeuvre les étapes suivantes : a) on utilise une pièce dont le substrat métallique en superalliage (12) comporte du hafnium (Hf), avec un rapport entre la quantité de hafnium et la quantité de carbone supérieur à 1 (Hf/C>1), b) on dépose sur le substrat une couche d'un métal de la mine du platine (platinoïdes) pour former une sous-couche métallique (13), c) on effectue un traitement thermique de ladite pièce après l'étape b), et d) on dépose une couche de céramique (14). 2. Méthode de fabrication selon la revendication 1, caractérisée en ce que le substrat métallique est un superalliage à base de nickel. 3. Méthode de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le substrat métallique est un superalliage à base nickel de type AMI. 4. Méthode de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la quantité de hafnium (Hf) contenue dans le substrat métallique est comprise entre 0,01 et 2% massique. 5. Méthode de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que dans l'étape a), on utilise une pièce dont le substrat métallique en superalliage comporte en outre du silicium et/ou du zirconium et/ou de l'yttrium. 6. Méthode de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'à l'étape b) on dépose une couche de métal présentant une épaisseur comprise entre 5 et 15�m. 7. Méthode de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'à l'étape c), on effectue un traitement thermique de la pièce comprenant un traitement de diffusion entre 1000 et 1100°C pendant 30 à 60 minutes. 8. Pièce thermomécanique en superalliage comprenant une barrière thermique (11) obtenue selon la méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes. 9. Pièce thermomécanique en superalliage selon la revendication 8, caractérisée en ce que ladite couche de céramique (14) est à base de zircone yttriée comprenant une teneur molaire d'oxyde d'yttrium entre 4 et 12%. 10. Pièce thermomécanique en superalliage selon l'une quelconque des revendications 8 et 9, caractérisée en ce que ladite pièce est une chambre de combustion, une aube de turbine, un distributeur de turbine, et toute pièce thermomécanique susceptible d'être revêtue d'un système de barrière thermique.