Brevet FR2960242A1 — publié le 20111125

i Procédé de fabrication de pièces multicouches comportant des trous inclinés et devant résister à des contraintes thermiques élevées et utilisation du procédé pour la réparation de pièces La présente invention concerne le domaine des chambres de combustion ou des turbines industrielles, en particulier la réalisation de perçages ou trous dans une pièce en matériaux multicouches tel qu'un substrat métallique revêtu de céramique. Il est connu par la demande de brevet FR 2 909 297 des techniques de perçage par laser de trous de refroidissement pour des pièces chaudes io devant résister à des températures importantes telles que des parois de chambre de combustion d'un turboréacteur ou des aubes de turbines industrielles. Ces pièces chaudes sont protégées par une couche de revêtement créant une barrière thermique souvent en céramique qui est accrochée sur le substrat de la pièce chaude par une sous-couche is d'accroche. Le revêtement de barrière thermique (TBC : Thermal Barrier Coating en anglais) est également protégé par un film d'air produit par les trous de refroidissement. Il est également connu par la demande de brevet US 2008/0241560 de déposer, par diffusion au plasma sur un substrat en superalliage à base 20 de nickel, une couche de poudre de céramique mélangée avec une poudre d'un composé intermétallique de nickel aluminure (NiAI) pour augmenter la durée de vie de la barrière thermique ou l'épaisseur de la couche. Il est également connu par la demande de brevet EP 0 799 904 de déposer par dépôt physique en phase vapeur sous faisceau d'électrons (EB- 25 PVD ou Electron Beam Physical Vapor Deposition en anglais) d'une couche dont les différents composés constitués de céramique et de mélange d'oxydes d'aluminium, chrome, nickel, yttrium et zirconium sont répartis dans l'épaisseur selon un gradient pour améliorer la fiabilité de liaison de couche (page 4, 3e exemple). La technologie de fabrication de chambre de combustion évolue. Pendant longtemps, les parois de chambre de combustion étaient constituées de panneaux étagés (figure 4) séparés par des zones comportant des trous de refroidissement de diamètre de l'ordre de 1,2 mm à quelques millimètres. Un film d'air circule par ces trous de refroidissement ce qui crée un écran protecteur. Maintenant, ce type de parois est remplacé par un ou plusieurs panneaux (figure 5) possédant un très grand nombre de trous de refroidissement de très petits diamètres de l'ordre de 0,3 mm à 0,8 mm. Cette nouvelle technique de parois permet d'obtenir un film d'air io beaucoup plus homogène et protège mieux le revêtement de barrière thermique autorisant ainsi une température de fonctionnement de la chambre de combustion considérablement accrue. L'axe des trous par rapport à la surface de la pièce chaude est déterminé selon la configuration du film d'air que l'on désire obtenir. Cela veut dire qu'un certain nombre de trous auront 15 un axe incliné par rapport à la surface. Différentes techniques permettent le perçage de trous telles que la technique de débouchage et la technique de perçage laser. La technique de débouchage consiste en une projection thermique de la sous-couche d'accroche sur le substrat de la pièce chaude puis d'un 20 perçage laser du substrat et de la sous-couche. Une projection au plasma d'une première couche de barrière thermique TBC est alors appliquée suivie d'un débouchage par un procédé abrasif. Une seconde couche de TBC est ensuite appliquée pour être suivie d'un second débouchage par un procédé abrasif. Cette technique met un oeuvre un procédé long et peu fiable. 25 La technique de perçage laser, quant à elle, consiste en un perçage par un faisceau laser du substrat, de la sous-couche d'accroche et de la TBC ensemble permettant ainsi de réduire les étapes du procédé mis en oeuvre. Cependant, l'interaction entre le laser hautement énergétique et le substrat revêtu de la sous-couche d'accroche et de la TBC provoque une détonation 30 laser créant une onde de choc. Cette onde de choc associée aux dilatations différentielles des matériaux constituant le substrat, la sous-couche d'accroche et la TBC (dont les propriétés physico-chimiques sont différentes), combinée aux phénomènes de tension et de resolidification des couches liquides, génère un délaminage voire un décollement de la couche de TBC dans le cas de très faibles incidences du faisceau laser, inférieures à 25°. Le délaminage de chaque trou peut conduire à un décollement par plaque de façon immédiate ou pendant le fonctionnement de la chambre de combustion. Dans le premier cas, la pièce n'est pas utilisable. Dans le second cas, la durée de vie de la pièce est réduite d'où un risque majeur pour le turboréacteur comportant la chambre de combustion. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en Io proposant un procédé de fabrication de pièces comportant des trous inclinés et devant résister à des températures élevées. Ce but est atteint par un procédé de fabrication de pièce multicouches comportant des trous dont les axes sont inclinés et devant résister à des contraintes thermiques élevées possédant une sous-couche d'accroche et is une couche de revêtement de barrière thermique (TBC) comportant au moins les étapes suivantes : - une étape de dépôt de la sous-couche d'accroche sur le substrat de la pièce ; - une étape de dépôt de la couche de TBC. 20 Le procédé est caractérisé en ce qu'il comporte en outre les étapes suivantes : - une étape de dépôt d'une couche à gradient de composition variable ou définie entre deux matériaux par projection plasma après l'étape de dépôt de la sous-couche d'accroche ; 25 - une étape de perçage des trous par un faisceau laser. Selon une autre particularité, la couche à gradient de composition variable entre deux matériaux passe progressivement d'une composition de 100% de matériau de sous-couche d'accroche et 0% de matériau de TBC dans la zone proche de la sous-couche d'accroche à une composition de 0% 30 de matériau de sous-couche d'accroche et 100% de matériau de TBC dans la zone proche de la couche de TBC. Selon une autre particularité, la couche de gradient de composition définie est un mélange homogène des matériaux constituant la sous-couche d'accroche et la couche de TBC et est déposée entre la sous-couche d'accroche et la couche de TBC. Selon une autre particularité, la proportion en masse de matériau de sous-couche d'accroche est préférentiellement de 50% à 75% par rapport à la masse totale des matériaux de sous-couche d'accroche et de couche de TBC formant la couche à gradient de composition Selon une autre particularité, la couche de TBC est en céramique. Io Selon une autre particularité, la sous-couche d'accroche est en alliage de type NiCrAIY, pour un substrat à base de cobalt ou de nickel ou de chrome. Selon une autre particularité, le substrat de la pièce est en alliage à base au moins de cobalt et de chrome. 15 Selon une autre particularité, la couche à gradient de composition a une épaisseur comprise entre 0,15 mm et 0,30 mm. Selon une autre particularité, la sous-couche d'accroche a une épaisseur comprise entre 0,08 mm et 0,25 mm. Selon une autre particularité, la couche de TBC a une épaisseur 20 comprise entre 0,20 mm et 0,60 mm. Un autre but est atteint en proposant une utilisation du procédé de fabrication de pièces multicouche comportant des trous dont les axes sont inclinés avec une faible incidence et devant résister à des températures élevées possédant une sous-couche d'accroche, une couche à gradient de 25 composition variable ou définie et une couche de matériau céramique formant TBC pour la réparation d'une chambre de combustion d'un engin caractérisée en ce qu'elle comporte au moins les étapes suivantes : 2960242 s - une étape de découpe d'une partie de la pièce défectueuse ; - une étape de soudure à la place de la partie de la pièce défectueuse d'une pièce en substrat métallique à base de cobalt et de chrome ; - une étape de dépôt d'un matériau formant la sous-couche d'accroche sur le substrat de la pièce ; - une étape de dépôt par projection plasma d'une couche à gradient de composition variable ou définie entre les deux matériaux ; - une étape de dépôt de la couche de matériau formant TBC ; - une étape de perçage des trous par un faisceau laser. Selon une autre particularité, l'utilisation comporte en outre une étape de vérification de l'efficacité d'un film d'air généré par un débit d'air traversant la pièce par les trous. 15 D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels : la figure 1 représente une coupe d'un morceau de la pièce multicouches selon des axes de trous sans couche de gradient de composition ; 20 la figure 2 représente une coupe d'un morceau de la pièce multicouches selon des axes de trous avec la couche de gradient de composition ; la figure 3 représente une coupe schématique d'un turbo réacteur possédant la pièce selon l'invention ; la figure 4 représente une coupe transversale de la pièce formant les 25 parois de la chambre de combustion constituées de panneaux étagés ; la figure 5 représente une coupe transversale de la pièce formant les parois de la chambre de combustion constituées d'un ou plusieurs panneaux possédant un très grand nombre de trous de refroidissement. Dans la présente description, il sera fait référence aux figures 1, 2, 3, 5 Io 30 4 et 5. L'invention concerne un procédé de fabrication de pièces représentée sur la figure 5 comportant des trous (4) dont les axes sont inclinés avec une faible incidence Â comprise, de manière non limitative, entre 15° et 25°, et devant résister à des contraintes thermiques ou des températures élevées. Ce type de pièce peut être la chemise (0) d'une chambre de combustion d'un turboréacteur (100). Mais on doit comprendre que le procédé selon l'invention peut être employé pour d'autres domaines tels que les aubes de turbines industrielles. La figure 4 représente la pièce telle qu'elle était réalisée dans une technologie antérieure où les parois de chambre de io combustion étaient constituées de panneaux (400) étagés séparés par des zones comportant des trous (401) de refroidissement. La figure 3 représente une figure schématique d'une coupe d'un turboréacteur. La poussée produite par le turboréacteur (100) est générée par l'accélération du débit d'air entre l'entrée (101) et la sortie (108) au is niveau d'une tuyère (107). L'accélération est obtenue par la combustion (105) dans une chambre (104) de combustion d'un carburant, par exemple du kérosène, introduit par des injecteurs (103) avec l'oxygène de l'air entrant dans le turboréacteur. Une partie de l'énergie produite est récupérée par une turbine (106) qui met en oeuvre un compresseur (102) qui comprime l'air à 20 l'entrée du turboréacteur (100). Les températures atteintes à la sortie de la chambre (104) de combustion peuvent monter jusqu'à 2000°C. La chambre (104) de combustion est délimitée par une pièce (0) appelée chemise dont les parois est, par exemple, un alliage à base de cobalt et de chrome. De façon non limitative, l'alliage est constitué au moins 25 de 39% de cobalt, 22% de chrome, 22% de nickel, du tungstène et du fer. Les parois de la chambre (104) de combustion forment un substrat (1) sur lequel sont déposées au moins une sous-couche (2) d'accroche permettant d'accrocher sur les parois une couche (3) de revêtement de barrière thermique (TBC) qui protège les parois de la chaleur générée par la 30 combustion et de l'oxydation (figure 1 et figure 2). La sous-couche (2) d'accroche est, par exemple, en matériau de type alliage NiCrAIY (Nickel, Chrome, Aluminium, Yttrium) pour un substrat à base de cobalt et/ou de nickel et/ou de chrome. Par exemple, pour un substrat en base nickel, l'alliage peut être composé de 22% de chrome, 10% l'aluminium et 1% d'Yttrium. La couche de TBC est en matériau céramique, par exemple, en oxyde de zirconium (ZrO2). Les dépôts des différentes couches suivent la procédure suivante. Dans une première étape, la sous-couche (2) d'accroche est déposée io sur le substrat (1), par exemple, par projection plasma. La projection plasma est réalisée par une torche plasma qui projette à chaud des particules injectées dans la torche et que l'on désire déposer. Ces particules molles ou en gouttelettes fondues s'écrasent alors sur la surface à traiter. Dans une étape suivante, une couche (5) à gradient de composition is entre deux matériaux est déposée par projection plasma. Selon une configuration, la couche (5) à gradient de composition passe progressivement d'une composition de 100% de matériau de sous-couche (2) d'accroche et 0% de matériau de TBC dans la zone proche de la sous-couche (2) d'accroche à une composition de 0% de matériau de sous- 20 couche (2) d'accroche et 100% de matériau de TBC dans la zone proche de la couche (3) de TBC. Le dépôt de la couche (5) à gradient de composition variable entre les deux matériaux est réalisé par une torche plasma dans laquelle on injecte 100% de quantité de particules de matériau de la sous-couche (2) d'accroche et 0% de quantité de particules de matériau de la TBC 25 au début de la projection plasma. Puis, on diminue progressivement la quantité de particules de matériau de la sous-couche (2) d'accroche en augmentant progressivement la quantité de particules de matériau de TBC jusqu'à ce que l'on atteigne 0% de quantité de particules de matériau de la sous-couche (2) d'accroche et 100% de quantité de particules de matériau de TBC. Le réglage des quantités de particules à projeter peut être effectué à l'aide d'un dispositif de commande de la torche plasma. Un programme est mis en oeuvre par un processeur du dispositif de commande permettant ainsi de régler la composition et l'épaisseur de la couche (5) à gradient de composition. Selon une autre configuration, la couche (5) à gradient de composition définie est un mélange homogène de matériau constituant la sous-couche (2) d'accroche et la couche (3) de TBC. Des particules de chaque matériau sont mélangées à l'aide d'un mélangeur afin d'obtenir un mélange homogène de io particules. De façon non limitative, la proportion en masse de particules de matériau de sous-couche (2) d'accroche est préférentiellement de 50% à 75% par rapport à la masse totale des particules formant la couche (5) de gradient de composition. Cette couche est déposée entre la sous-couche (2) d'accroche et la couche (3) de TBC. 15 Dans une étape suivante, une couche (3) de TBC est déposée, par exemple, par projection plasma. De façon non limitative, la couche (5) de gradient de composition a une épaisseur comprise entre 0,15 mm et 0,30 mm, de préférence entre 0,20 mm et 0,25 mm. 20 De façon non limitative, la sous-couche (2) d'accroche a une épaisseur comprise entre 0,08 mm et 0,25 mm, de préférence entre 0,10 mm et 0,15 mm. De façon non limitative, la couche (3) de TBC a une épaisseur comprise entre 0,20 mm et 0,60 mm, de préférence entre 0,25 mm et 25 0,55 mm. Dans une étape suivante, les trous (4) sont percés par au moins un faisceau laser selon un axe (41) calculé afin que le film d'air soit optimisé pour une protection de la couche (3) de TBC. Le faisceau laser est dirigé selon un programme contenu dans un processeur qui détermine la position du faisceau laser en fonction de la position de chaque trou (4) et de l'angle que doit faire l'axe (41) de chaque trou (4) par rapport à la surface de la pièce (0). De façon non limitative, chaque trou a un diamètre de l'ordre de 0,3 mm à 0,8 mm, de préférence de l'ordre de 0,4 mm. De façon non limitative, un trou (4) est réalisé en deux étapes. Une première étape de percussion qui consiste à utiliser le faisceau laser fixe avec une incidence Â comprise, par exemple, entre 15° et 25° dans un mode pulsé afin de pénétrer l'épaisseur de la pièce (0) et des couches (2, 3, 5) de io protection. Une seconde étape de trépanage consiste à découper le trou (4) en déplaçant circulairement le faisceau laser. Ce procédé de fabrication de pièce (0) peut être utilisé pour la réparation d'une chambre de combustion d'un engin par exemple ayant une pièce défectueuse. 15 Dans une première étape, la pièce défectueuse est découpée, par exemple, par laser ou par un chalumeau. Dans une étape suivante, une pièce en matériau formant le substrat, par exemple, à base de cobalt, de chrome et de nickel est soudée à la place de la pièce défectueuse découpée. Cette pièce subit alors le procédé de 20 fabrication de pièce précédemment décrite. Après ce procédé, une étape de vérification de l'efficacité du film d'air est effectuée. Un débit d'air semblable au débit d'air effectif pendant le fonctionnement du turboréacteur est généré. Il est ainsi possible de vérifier l'efficacité du film d'air généré par le débit d'air traversant la pièce par les 25 trous (4). Il doit être évident pour les personnes versées dans l'art que la présente invention permet des modes de réalisation sous de nombreuses autres formes spécifiques sans l'éloigner du domaine d'application de 2960242 io l'invention comme revendiqué. Par conséquent, les présents modes de réalisation doivent être considérés à titre d'illustration, mais peuvent être modifiés dans le domaine défini par la portée des revendications jointes, et l'invention ne doit pas être limitée aux détails donnés ci-dessus. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication de pièce (0) multicouches comportant des trous (4) dont les axes (41) sont inclinés et devant résister à des contraintes thermiques élevées possédant une sous-couche (2) d'accroche et une couche (3) de revêtement de barrière thermique (TBC) comportant au moins les étapes suivantes : - une étape de dépôt de la sous-couche (2) d'accroche sur le substrat (1) de la pièce (0) ; - une étape de dépôt de la couche (3) de TBC ; caractérisé en ce qu'il comporte en outre les étapes suivantes : - une étape de dépôt d'une couche (5) à gradient de composition variable ou définie entre deux matériaux par projection plasma après l'étape de dépôt de la sous-couche (2) d'accroche ; - une étape de perçage des trous (4) par un faisceau laser. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche (5) à gradient de composition variable entre deux matériaux passe progressivement d'une composition de 100% de matériau de sous-couche (2) d'accroche et 0% de matériau de TBC (3) dans la zone proche de la 20 sous-couche (2) d'accroche à une composition de 0% de matériau de sous-couche (2) d'accroche et 100% de matériau de TBC (3) dans la zone proche de la couche (3) de TBC. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche (5) à gradient de composition définie est un mélange homogène des 25 matériaux constituant la sous-couche (2) d'accroche et la couche (3) de TBC et est déposée entre la sous-couche (2) d'accroche et la couche (3) de TBC. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la proportion en masse de matériau de sous-couche d'accroche est préférentiellement de 50% à 75% par rapport à la masse totale des Io 15matériaux de sous-couche (2) d'accroche et de couche (3) de TBC formant la couche (5) à gradient de composition 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche (3) de TBC est en céramique. s 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la sous-couche (2) d'accroche est en alliage de type NiCrAIY, pour un substrat à base au moins de cobalt ou de nickel ou de chrome. 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat (1) de la pièce (0) est en alliage à base au moins de cobalt et de chrome. Io 8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche (5) à gradient de composition a une épaisseur comprise entre 0,15 mm et 0,30 mm. 9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la sous-couche (2) d'accroche a une épaisseur comprise entre 0,08 mm et 0,25 mm. 15 10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche (3) de TBC a une épaisseur comprise entre 0,20 mm et 0,60 mm. 11. Utilisation d'un procédé de fabrication de pièces (0) comportant des trous (4) dont les axes (41) sont inclinés avec une faible incidence et devant résister à des contraintes thermiques élevées possédant une sous- 20 couche (2) d'accroche, une couche (5) à gradient de composition variable ou définie et une couche (3) de matériau céramique formant TBC pour la réparation d'une chambre de combustion d'un engin caractérisée en ce qu'elle comporte au moins les étapes suivantes : - une étape de découpe d'une partie de la pièce (0) 25 défectueuse ; 10- une étape de soudure à la place de la partie de la pièce défectueuse d'une pièce (0) en substrat métallique à base de cobalt et de chrome ; - une étape de dépôt d'un matériau formant la sous-couche (2) d'accroche sur le substrat (1) de la pièce (0) ; - une étape de dépôt par projection plasma d'une couche (5) à gradient de composition définie ou variable entre les deux matériaux ; - une étape de dépôt de la couche (3) de matériau formant TBC ; - une étape de perçage des trous (4) par un faisceau laser. 12. Utilisation selon la revendication 11, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une étape de vérification de l'efficacité d'un film d'air généré par un débit d'air traversant la pièce (0) par les trous (4). 15