Brevet FR3044019A1 — publié le 20170526

PROCEDE DE DEPOT DE REVETEMENT SUR UN SUBSTRAT La présente invention concerne un procédé de dépôt de revêtement sur un substrat. La présente invention se rapporte également à un substrat et un appareil associés. Un réacteur est un système de propulsion qui transforme l'énergie potentielle contenue dans un carburant, associé à un comburant qu'est l'air ambiant, en énergie cinétique permettant de générer une force de réaction en milieu élastique dans le sens opposé à l'éjection. Les gaz produits par la combustion du carburant partent d'une chambre à combustion, traversent une turbine comportant des aubes, puis sont canalisés à travers une tuyère vers l'extérieur. Dans un réacteur les gaz chauds sont produits en continu de sorte que le rendement thermodynamique d'un réacteur dépend plus de la température des gaz produits que pour un moteur à piston où la combustion est intermittente. Les aubes de la turbine subissent ainsi des contraintes thermiques sévères. De plus, les aubes sont également soumises à des contraintes mécaniques produites par les fortes pressions et les forces centrifuges dues aux vitesses de rotation élevées, la corrosion due aux sulfates à 850 °C (degré Celsius)et à l'oxydation au-delà de 1 000 °C. Depuis l'apparition du réacteur, augmenter la température des gaz en recourant à des alliages de plus en plus résistants aux hautes températures est un objectif récurrent. Pour cela, il a été introduit des alliages à base de nickel qui exhibent de bonnes caractéristiques de fluage jusqu'à environ 950 °C. Pour augmenter la température des gaz, des aubes en alliages à structure à solidification dirigée (1 000 °C), puis, en un seul cristal (1100 °C) ont également été utilisées. Pour accroître encore cet effet, il a été considéré des revêtements céramiques isolants, ou barrières thermiques (désigné en anglais sous l'expression « Thermal Barrier Coatings ») pour leurs caractéristiques de résistance aux hautes températures. Des températures d'environ 1 200 °C ont ainsi été attehtes sur les surfaces des aubes. Pour obtenir des réacteurs avec de meilleurs rendements, il est souhaitable d'élaborer un revêtement apte à servir de barrière thermique pour des températures de l'ordre de 1300 à 1400°C. Pour cela, les revêtements ou films isolants en céramique sont bien connus. Généralement la composition des films isolants est de la zircone ZrO2 mais également de l'alumine A1203, de la magnésie MgO et bien d'autres céramiques dites « haute température ». La zircone yttriée possède une très faible conductivité thermique 3044019 2 par rapport aux autres oxydes, environ 2 W/mK (Watt par milliKelvin), et un coefficient de dilatation élevé, caractéristiques exigées sur les revêtements pour aubes. Il existe plusieurs techniques de dépôt de couches épaisses en céramiques. Sur les aubes de turbines, les procèdes de dépôts les plus utilisés sont la projection plasma (à 5 l'air), et les dépôts en phase vapeur. La technique de projection plasma utilise le principe qui consiste à fondre une poudre puis à la projeter sur le substrat à l'aide d'un courant gazeux. Un dépôt réalisé par projection plasma est constitué d'un empilement de particules qui s'écrasent, à grande vitesse, dans un état fondu ou semi-fondu sur la pièce à recouvrir. La vitesse de trempe 10 des particules sur le substrat est supérieure à 106 K/s (Kevin par seconde) et dans les conditions courantes de projection, les particules impactent sur des couches déjà solidifiées. Le dépôt présente alors une structure lamellaire avec des inclusions éventuelles de particules non-fondues, d'oxydes si le matériau d'apport est un métal ou un alliage 15 projeté dans l'air, et de microfissures et macrofissures. Les inclusions se forment, généralement, pendant le refroidissement des lamelles et le refroidissement du dépôt. Une telle microstructure qui conditionne les propriétés du dépôt, dépend à la fois des paramètres des particules à l'impact et des paramètres du substrat. La taille, la vitesse, la température, l'état de fusion et l'état chimique sont des 20 exemples de paramètres de particules à l'impact. A titre d'illustration, la nature, l'état de surface, la chimie de surface, la température sont des paramètres du substrat. Les paramètres des particules sont également conditionnés par les caractéristiques de l'écoulement plasma (champs de vitesse, température, composition) et 25 les propriétés thermo-physiques de l'écoulement plasma (enthalpie, conductivité thermique et viscosité). Les conditions d'injection du matériau dans l'écoulement sont également à prendre en compte. Pour obtenir un dépôt aux propriétés contrôlées sur une pièce de nature et de géométrie données, il est usuellement procédé en deux étapes. 30 Lors d'une première étape, les conditions de fonctionnement de la torche et les paramètres du substrat sont optimisés, à savoir la nature, l'état de surface, la distance par rapport à la torche, le mouvement du substrat par rapport à la torche ou encore la température du substrat. Lors d'une deuxième étape, la reproductibilité des propriétés du dépôt, est 35 contrôlée une fois que les conditions optimales ont été déterminées lors de la première étape. 3044019 3 En effet, le procédé de projection plasma implique des phénomènes aléatoires. De tels phénomènes sont liés à la génération de l'arc dans la torche, aux interactions entre le jet de particules et le jet de plasma, en particulier au point d'injection et aux interactions entre ce jet de particules et le substrat. 5 Ainsi, il en résulte que l'optimisation d'un procédé de projection plasma est difficile et ne permet pas d'obtenir aisément un revêtement de bonne qualité pouvant servir de barrière thermique. Il existe donc un besoin pour un procédé de dépôt de revêtement sur un substrat permettant d'obtenir un revêtement de meilleure qualité. 10 La présente description porte sur un procédé de dépôt de revêtement sur un substrat. Le procédé comprend une étape d'écoulement d'un plasma le long d'une direction de déplacement, d'injection d'intrants liquides dans le plasma, pour obtenir un jet de plasma présentant une température, et d'introduction d'un flux de gaz sur le jet de plasma, le flux de gaz étant à une température inférieure à la température du mélange 15 plasma. Suivant des modes de réalisation particuliers, le procédé de dépôt comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : - la pression du flux de gaz introduit est comprise entre 2 bars et 4 bars. 20 - la température du gaz introduit est inférieure ou égale à 35°C. - le flux de gaz est introduit selon une direction d'envoi, l'angle entre la direction d'introduction et la direction de déplacement étant compris entre 30° et 45°. - le gaz est choisi dans le groupe constitué de l'air, de l'azote et de l'argon. - le flux de gaz est introduit par au moins deux buses positionnées symétriquement 25 par rapport à la direction de déplacement ; et - le substrat est réalisé en un matériau, le matériau étant un alliage métallique. La présente description décrit également un substrat revêtu d'un revêtement susceptible d'être obtenu par le procédé de dépôt tel que précédemment décrit. La présente description décrit aussi un dispositif, notamment de propulsion aérienne, comportant une pièce dont une partie forme le substrat revêtu tel que précédemment décrit. La présente description concerne également un appareil de dépôt de revêtement sur un substrat. L'appareil comprend une torche à plasma pour assurer un écoulement d'un plasma le long d'une direction de déplacement, un premier injecteur propre à injecter 30 des intrants liquides dans le plasma, pour obtenir un mélange plasma présentant une température, et un deuxième injecteur propre à introduire un flux de gaz sur le mélange 3044019 4 plasma, le flux de gaz étant à une température inférieure à la température du mélange plasma. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation de l'invention, donnée à titre d'exemple 5 uniquement et en référence aux dessins qui sont : figure 1, une vue schématique d'un substrat et d'un revêtement, figure 2, une vue schématique des différents éléments composant un appareil de dépôt de revêtement sur un substrat, figure 3, une vue schématique d'un appareil dans une première configuration, 10 et figure 4, une vue schématique d'un appareil dans une deuxième configuration. La figure 1 illustre un substrat 10 revêtu d'un revêtement 12. Le substrat 10 est réalisé en un alliage métallique. A titre d'exemple, le matériau du substrat 10 est un superalliage base nickel. 15 Le revêtement 12 est un dépôt épais, c'est-à-dire présentant une épaisseur supérieure à 100 lm (micromètre) et inférieure à 500 lm (micromètre). Pour le cas d'un revêtement 12 servant de barrière thermique, l'épaisseur du revêtement est comprise entre 300 lm et 500 Le dépôt est finement structuré, voire nanostructuré, à l'échelle des grains ou des 20 lamelles qui constituent le dépôt. Pour déposer le revêtement 12 sur un tel substrat 10, l'appareil 14 de dépôt de revêtement de la figure 2 est utilisé. L'appareil 14 est un appareil de projection plasma. La microstructure du dépôt du revêtement 12 dépend alors entre autre de la taille 25 des briques élémentaires et du traitement des briques élémentaires dans le jet de plasma L'appareil 14 comporte une torche à plasma 16, un premier injecteur d'intrants liquides 18 et un deuxième injecteur de gaz 20. La torche à plasma 16 est propre à générer un écoulement plasma le long d'une direction de déplacement. 30 Selon l'exemple de la figure 2, la direction de déplacement est symbolisée par un axe Z. La direction perpendiculaire à la direction de déplacement et contenue dans le plan de la feuille est appelée première direction transverse. La première direction transverse est symbolisée par un axe X sur la figure 2. 3044019 5 La direction perpendiculaire à la direction de déplacement et à la première direction transverse est appelée deuxième direction transverse. La deuxième direction transverse est symbolisée par un axe Y sur la figure 2. Par exemple, la torche 16 est une torche à plasma d'arc soufflé. 5 Une telle torche comporte une cathode, une anode, un dispositif d'application d'une tension, un insert de protection de l'anode et un circuit de refroidissement. La cathode est une cathode thermo-émissive. Par exemple, la cathode est réalisée en tungstène thorié (c'est-à-dire comprenant 2% en masse de thorine). 10 La cathode est usuellement de forme conique de sorte que la zone cathodique est située sur la pointe du cône. L'anode est concentrique à la cathode, et joue le rôle de tuyère. L'anode est réalisée en cuivre. L'anode est usuellement de forme cylindrique. 15 Le dispositif d'application d'une tension est propre à appliquer une tension entre l'anode et la cathode. Par exemple, le dispositif d'application d'une tension est un générateur de tension. Le dispositif d'application d'une tension est propre à établir un arc électrique entre la cathode et l'anode. 20 L'insert est propre à protéger l'anode. Par exemple, l'insert est réalisé en tungstène. Le circuit de refroidissement est propre à refroidir l'anode et la cathode. Par exemple, le circuit de refroidissement est un circuit de circulation d'eau à une pression comprise entre 0,15 MPa (MegaPascal) et 0,2 MPa. 25 La torche 16 est propre à produire un flux fortement enthalpique. Un flux est considéré comme fortement enthalpique lorsque la densité d'énergie du flux est supérieure à 106 J/m3 (Joule par mètre cube). Le flux correspond à un écoulement plasma présentant une température supérieure à 6000 K. 30 II est à noter que la densité du gaz diminue fortement. La densité du gaz à l'état de plasma est environ 30 fois plus faible que pour un gaz froid. En outre, les vitesses d'écoulement subsoniques atteignent 1800 m.s-1 (mètre par seconde). Le premier injecteur 18 est propre à injecter des intrants liquides dans le plasma, 35 pour obtenir un mélange plasma présentant une température. 3044019 6 En l'occurrence, le premier injecteur 18 est un tube refroidi ou non, équipé d'une buse en saphir percée d'un trou de diamètre 150 à 250 iim. Le deuxième injecteur 20 est propre à envoyer un flux de gaz à une température inférieure à la température du mélange plasma. 5 Le deuxième injecteur 20 est propre à envoyer un flux de gaz à la température ambiante. Selon l'exemple décrit, le deuxième injecteur 20 se présente sous la forme de deux buses 22 et 24. Les deux buses 22 et 24 sont symétriques par rapport à la direction de 10 déplacement Z. Le fonctionnement de l'appareil 14 est maintenant décrit en référence à un procédé de dépôt de revêtement sur le substrat 10 ainsi qu'à l'influence de chacune des étapes sur le dépôt du revêtement 12. Le procédé de dépôt comporte trois étapes : une étape d'écoulement 100, une 15 étape d'injection 102, une étape d'introduction 104 et une étape de formation 106. A l'étape d'écoulement 100, la torche à plasma 16 projette un plasma le long de la direction de déplacement Z. Pour cela, un arc électrique est établi par le dispositif d'application entre l'anode et la cathode. 20 Selon un mode de réalisation particulier, le démarrage de la torche 16 est assuré par application d'une décharge radiofréquence de quelques MHz (MégaHertz) et avec une tension de l'ordre de 10 kV (kiloVolt) entre la cathode et l'anode. Une partie de l'énergie de l'arc électrique est transférée à l'écoulement gazeux et provoque une ionisation partielle du gaz contenu dans l'écoulement gazeux. 25 La densité électronique de l'ionisation est telle que se créé un écoulement plasma. Par exemple, la densité électronique est strictement supérieure à 1022 m-3 (par mètre cube). Il est ainsi obtenu un jet de plasma JP se déplaçant selon la direction de déplacement Z. 30 Le jet de plasma JP fluctue notamment du fait des fluctuations de la tension d'arc électrique de la torche 16 et des différences de vitesses entre l'écoulement plasma et le milieu environnant. Le jet de plasma JP influence la qualité du revêtement obtenu par ses caractéristiques thermiques ainsi que par ses propriétés dynamiques. 35 La température et la conductivité thermique sont des exemples de telles caractéristiques thermiques. 3044019 7 La viscosité et la vitesse du jet de plasma JP sont des exemples de propriétés dynamiques. Ainsi, pour influencer le dépôt, il est possible de varier le mélange de gaz plasmagène, le courant d'arc et le diamètre de l'anode. 5 Ainsi, le jet présente des fluctuations de dimensions et des variations temporelles dans les champs de température, de vitesse et de concentration des différentes espèces. Ces fluctuations jouent un rôle important sur la qualité du dépôt obtenu. A l'étape d'injection 102, le premier injecteur 18 injecte des intrants liquides dans le plasma. 10 Selon les cas, l'injection se fait sous la forme d'un jet continu de liquide ou de gouttelettes préalablement fragmentées. Par exemple, les intrants liquides injectés sont des précurseurs liquides sous forme de suspensions ou de sels de précurseurs dans le jet de plasma JP. Par exemple, l'injection se fait à l'aide du trou du premier injecteur 18. La pression 15 est comprise entre 3 bars et 10 bars. Le débit qui dépend de la pression et du diamètre du trou est usuellement entre 15 mL/min et 70 mL/min. Le diamètre des gouttes est compris entre 100 lm et 500 lm. L'ensemble des étapes d'écoulement 100 et des étapes d'injection 102 forment une technique de projection plasma d'intrants liquides. 20 Selon un mode de réalisation particulier, la technique de projection plasma d'intrants liquides est une technique dite « SPS ». L'acronyme SPS renvoie à la dénomination anglaise « Suspension Plasma Spray » qui signifie projection plasma de suspension. La technique SPPS aussi appelée « Solution Precursor Plasma Spray » pour 25 projection plasma avec solution de précurseurs est un exemple particulier de technique de projection plasma d'intrants liquides. Dans chacune des techniques, lors de la pénétration du liquide au sein de l'écoulement plasma, le jet de liquide est fragmenté en un jet de gouttelettes microniques. Cette fragmentation est un des facteurs déterminant la taille des gouttes, sachant 30 que les propriétés et conditions d'injection du liquide (vitesse et diamètre du trou d'injection, densité du liquide, viscosité du liquide, tension de surface du liquide) sont les facteurs clés influençant la formation de ces gouttes. Les gouttelettes introduites provoquent naturellement un refroidissement du jet de plasma JP, particulièrement si le solvant est de l'eau. 35 II est à noter que, lors d'une technique de projection plasma d'intrants liquides, les gouttelettes évoluent dans l'écoulement plasma en subissant différentes transformations 3044019 8 Les transformations comprennent notamment une évaporation du solvant une pyrolyse, puis une fusion et une agglomération éventuelle de particules submicroniques. Les différentes transformations sont des traitements de type thermique et/ou cinétique appliqués au plasma. 5 Ces traitements thermiques et cinétiques, sont largement influencés par les fluctuations du jet. Comme mentionné précédemment, le jet fluctue notamment du fait des fluctuations de la tension d'arc électrique de la torche 16. Au bout d'une milliseconde environ, les gouttelettes résultantes dans la zone du substrat 10, présentent de larges distributions en taille et en vitesse. Par exemple, pour 10 une suspension avec un diamètre moyen de particules de 0,7 lm (avec un écart-type de ± 0,3 lm), la vitesse moyenne dans la zone du substrat est de 300m/s (avec un écart-type de ± 100 m/s). De telles distributions influencent la qualité du dépôt. A l'étape d'introduction 104, il est introduit par les deux buses 22 et 24 formant le 15 deuxième injecteur 20 un flux de gaz à une température inférieure à la température du mélange plasma. Selon l'exemple de la figure 2, la température du flux de gaz est inférieure ou égale à 35°C. Par ailleurs, le gaz introduit est de l'air. 20 L'angle entre la direction d'envoi et la direction de déplacement est compris entre 30° et 45°. La pression du gaz envoyé est usuellement comprise entre 2 bars et 4 bars. Dans ce cas, la pression du gaz est mesurée à température ambiante (T REVENDICATIONS1.- Procédé de dépôt de revêtement (12) sur un substrat (10), le procédé comprenant une étape de: - écoulement d'un plasma le long d'une direction de déplacement (Z), - injection d'intrants liquides dans le plasma, pour obtenir un jet de plasma (JP) présentant une température, et - introduction d'un flux de gaz sur le jet de plasma (JP), le flux de gaz étant à une température inférieure à la température du mélange plasma. 10 2.- Procédé selon la revendication 1, dans lequel la pression du flux de gaz introduit est comprise entre 2 bars et 4 bars. 3.- Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la température du gaz 15 introduit est inférieure ou égale à 35°C. 4.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le flux de gaz est introduit selon une direction d'envoi, l'angle entre la direction d'introduction et la direction de déplacement (Z) étant compris entre 30° et 45°. 20 5.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le gaz est choisi dans le groupe constitué de l'air, de l'azote et de l'argon. 6.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le flux 25 de gaz est introduit par au moins deux buses (22, 24) positionnées symétriquement par rapport à la direction de déplacement (Z). 7.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le substrat (10) est réalisé en un matériau, le matériau étant un alliage métallique. 8.- Substrat (10) revêtu d'un revêtement (12) susceptible d'être obtenu par le procédé de dépôt selon l'une quelconque des revendications 1 à 7. 9.- Dispositif, notamment de propulsion aérienne, comportant une pièce dont une partie forme le substrat (10) revêtu selon la revendication 8. 3044019 14 10.- Appareil (14) de dépôt de revêtement (12) sur un substrat (10), l'appareil (14) comprenant : - une torche à plasma (16) pour assurer un écoulement d'un plasma le long d'une direction de déplacement (Z), 5 - un premier injecteur (18) propre à injecter des intrants liquides dans le plasma, pour obtenir un mélange plasma présentant une température, et - un deuxième injecteur (20) propre à introduire un flux de gaz sur le mélange plasma, le flux de gaz étant à une température inférieure à la température du mélange plasma.