Brevet FR3058164A1 — publié le 20180504

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL L'invention se situe dans le domaine des superalliages monocristallins à base de nickel. La présente invention concerne plus précisément un procédé de fabrication d'une pièce comprenant un substrat en superalliage monocristallin à base de nickel, ainsi qu'une pièce comprenant un substrat en superalliage monocristallin à base de nickel. ETAT DE L'ART Par "superalliages", on entend des alliages complexes présentant, à haute température et à haute pression, une très bonne résistance à l'oxydation, à la corrosion, au fluage et à des contraintes cycliques (notamment mécaniques ou thermiques). Ces superalliages trouvent une application particulière dans la fabrication de pièces utilisées dans l'aéronautique, par exemple des aubes de turbine. On connait déjà dans l'état de la technique, des pièces qui comprennent successivement de l'intérieur vers l'extérieur : un substrat en superalliage monocristallin à base de nickel, une ou plusieurs sous-couche(s) et 20 une barrière thermique. Sur la figure 1 jointe, on peut voir une représentation schématique et en coupe d'un exemple d'une telle pièce. Celle-ci comprend successivement un substrat A en superalliage monocristallin à base de nickel, une sous-couche B d'un alliage choisi parmi NiAIPt, MCrAIY avec M égal à Co et/ou Ni, une couche C d'un 25 oxyde, par exemple de l'alumine et enfin une barrière thermique D. De nombreuses études ont montré qu'une interdiffusion des composants chimiques entre un superalliage et son revêtement, ainsi que l'oxydation des joints de grains de la couche d'alumine par diffusion de l'oxygène, pouvaient avoir des conséquences néfastes sur la durée de vie de la pièce. 30 Lorsque la pièce précitée est par exemple une aube de turbine, utilisée à des températures comprises entre 800°C et 1600°C, on constate que l'interdiffusion est importante entre le superalliage du substrat et les différentes couches qui le recouvrent, du fait de leurs différences de compositions chimiques. A titre d'exemple, l'aluminium de la sous-couche B peut diffuser vers 35 le substrat A ou le titane du substrat peut diffuser vers la sous-couche B. Les flux de diffusion associés à ce phénomène peuvent avoir différentes conséquences. 3058164 2 Tout d'abord, les flux précités entraînent l'appauvrissement prématuré de la couche C d'alumine, ce qui favorise la transformation martensitique de la sous-couche B (phase B-NiAI transformée en phase y'-Ni3Al,). Ces transformations génèrent des fissures et favorisent l'écaillage de la couche 5 d'oxyde. Ensuite, la diffusion de certains éléments du superalliage, comme le titane, ou de certaines impuretés, comme le soufre, va dégrader l'adhérence entre la couche d'oxyde C et la barrière thermique D. D'autre part, l'interdiffusion peut entrainer la formation des zones 10 de réaction secondaire (connues sous l'acronyme anglais de SRZ : "Secondary Reaction Zones") qui vont fortement dégrader les propriétés mécaniques (de fluage, de résistance à la fatigue) du superalliage revêtu. Enfin, lorsque la pièce précitée est une aube de turbine, des gaz chauds issus de la chambre de combustion (surtout de l'oxygène) diffusent au 15 travers de la barrière thermique poreuse jusqu'à atteindre la couche d'alumine. Ceci conduit à une oxydation des joints de grains de la couche d'alumine et à un gonflement de cette dernière. Cette évolution s'accompagne de contraintes de compression à long terme dues à la croissance des joints de grains, ce qui conduit à des ondulations de surface de la sous-couche B (ondulations connues sous la terminologie anglaise de "runnpling") et à une perte d'adhérence (écaillage) de la barrière thermique D. Il est intéressant de noter que ce phénomène est encore accru dans le cas où la sous-couche B est sous forme d'une phase B-(Ni,Pt)Al, car la différence de composition entre cette sous-couche B et le superalliage du substrat A est importante. Afin de limiter les conséquences néfastes de l'interdiffusion et d'augmenter la durée de vie des superalliages revêtus, on connait déjà d'après l'état de la technique, une solution consistant à intercaler une barrière de diffusion, d'une épaisseur de quelques micromètres, entre le substrat A en superalliage et la sous-couche B. Cette barrière de diffusion est constituée par exemple d'une couche dense d'alumine ou d'un alliage à base de rhénium et l'on a pu constater que la diffusion de certains éléments du superalliage du substrat A (tels que le titane ou le soufre par exemple) est ralentie dans cette barrière de diffusion. Cependant, l'emploi de cette barrière de diffusion réduit la 35 résistance mécanique en fatigue thermique, de la pièce, compte tenu des différences de coefficients de dilatation thermique entre la barrière de diffusion, 3058164 3 la sous-couche B et le substrat A. De plus, l'initiation de fissures est accentuée au niveau de la barrière de diffusion lors de sollicitations en fatigue mécanique. PRESENTATION DE L'INVENTION 5 L'invention a donc pour objectif de proposer une solution technique pour obtenir un substrat en superalliage monocristallin à base de nickel recouvert d'un revêtement et d'un couche d'alumine, et ceci : - tout en limitant les phénomènes d'interdiffusion entre le substrat en superalliage et les couches dudit revêtement, sans dégrader les propriétés 10 mécaniques du superalliage ; - en limitant l'oxydation des joints de grains de la couche d'alumine ; - et, en améliorant la durée de vie du système complet (substrat revêtu). 15 Lorsque la couche d'alumine est en outre revêtue d'une barrière thermique, un autre objectif de l'invention est d'améliorer l'adhérence entre la couche d'alumine et la barrière thermique. A cet effet, l'invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce comprenant un substrat en superalliage monocristallin à base de nickel. 20 Conformément à l'invention, ce procédé comprend les étapes consistant à : - fabriquer un substrat en superalliage monocristallin à base de nickel, - former sur ledit substrat, un revêtement comprenant au moins 25 une couche d'un premier type comprenant de l'aluminium et du platine, au moins une couche d'un deuxième type comprenant de l'aluminium, du silicium et du platine et une couche d'un troisième type comprenant du nickel, de l'aluminium, du silicium et du platine, cette couche de troisième type étant située la plus à 30 l'extérieur de l'empilement de couches du revêtement, -former une couche d'alumine dopée au silicium sur ladite couche de troisième type. Grâce à ces caractéristiques de l'invention, les différentes couches du revêtement limitent les phénomènes d'interdiffusion entre le superalliage du 35 substrat et la couche d'alumine, et ce, sans dégrader les propriétés mécaniques de ces superalliages. 3058164 4 Par ailleurs, le silicium diffuse dans la couche d'alumine qui constitue ainsi une barrière de diffusion efficace vis-à-vis de l'oxygène de l'atmosphère extérieure. Enfin, la durée de vie de la pièce obtenue par ce procédé est 5 améliorée. Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l'invention, prises seules ou en combinaison : - ledit revêtement comprend au moins trois couches de premier type ; 10 - ledit revêtement comprend deux couches de deuxième type ; - ledit revêtement comprend une succession de couches du premier type et/ou une succession de couches de deuxième type ; - dans ledit revêtement, la couche située au contact du substrat en superalliage rnonocristallin à base de nickel est une couche de premier type ; 15 au moins l'une des couches parmi la couche de premier type, la couche de deuxième type et la couche de troisième type est formée : -pour ladite couche de premier type par dépôt d'une couche nanocristalline d'aluminium puis d'une couche nanocristalline de platine ou l'inverse, 20 -pour ladite couche de deuxième type par dépôt dans un ordre quelconque d'une couche nanocristalline d'aluminium, d'une couche nanocristalline de platine et d'une couche nanocristalline de silicium, -et pour ladite couche de troisième type par dépôt dans un ordre 25 quelconque d'une couche nanocristalline d'aluminium, d'une couche nanocristalline de platine, d'une couche nanocristalline de nickel et d'une couche nanocristalline de silicium, et lesdites couches nanocristallines sont soumises à un traitement de diffusion, de façon à former ledit revêtement ; 30 - le dépôt des différentes couches du revêtement est réalisé par dépôt physique en phase vapeur ou par dépôt chimique en phase vapeur ; - le dépôt des différentes couches du revêtement est réalisé par pulvérisation cathodique. - il comprend une étape supplémentaire consistant à déposer une 35 barrière thermique sur ladite couche d'alumine dopée au silicium. 3058164 5 L'invention concerne également une pièce comprenant un substrat en superalliage monocristallin à base de nickel. Conformément à l'invention, la pièce comprend successivement sur ledit substrat, un revêtement recouvert d'une couche d'alumine dopée au 5 silicium, ledit revêtement comprenant au moins une couche d'un premier type comprenant de l'aluminium et du platine, au moins une couche d'un deuxième type comprenant de l'aluminium, du silicium et du platine et une couche d'un troisième type comprenant du nickel, de l'aluminium, du silicium et du platine, cette couche de troisième type étant située la plus à l'extérieur de l'empilement 10 de couches du revêtement. De façon avantageuse, ladite couche d'alumine dopée au silicium est recouverte d'une barrière thermique. PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront 15 de la description qui va maintenant en être faite, en référence aux dessins annexés, qui en représentent, à titre indicatif mais non limitatif, un mode de réalisation possible. Sur ces dessins : - la figure 1 est une vue schématique et en coupe, d'une pièce 20 conforme à l'état de la technique comprenant un substrat en superalliage monocristallin à base de nickel recouvert de plusieurs couches, et - la figure 2 est une vue schématique et en coupe d'un substrat recouvert d'un revêtement conforme à un mode de réalisation de l'invention, - la figure 3 est une vue schématique et en coupe d'un substrat 25 recouvert d'un revêtement conforme à un autre mode de réalisation de l'invention, - la figure 4 est une vue schématique et en coupe du détail des différentes couches déposées pour former le revêtement du substrat selon un mode de réalisation particulier, 30 - la figure 5 est une vue schématique et en coupe de deux modes de réalisation d'une pièce conforme à l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE Le procédé de fabrication d'une pièce conforme à l'invention va maintenant être décrit. 3058164 6 Selon un premier mode de réalisation de l'invention représenté sur la figure 5, la pièce finie, référencée 1, comprend un substrat 2, recouvert d'un revêtement 3 multicouches, lui-même recouvert d'une couche d'alumine 4. Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention représenté 5 sur cette même figure, la couche d'alumine 4 est recouverte d'une couche de barrière thermique 5. La pièce finie est alors référencée 1'. Le substrat 2 est réalisé en un superalliage monocristallin à base de nickel. Ce substrat est par exemple obtenu par fonderie ou par fabrication 10 additive et présente la forme finale souhaitée, par exemple celle d'une aube de turbine. A titre d'exemples purement illustratifs, on peut citer comme superalliages susceptibles d'être utilisés pour la fabrication du substrat 2 ceux mentionnés dans le tableau 1 ci-dessous. Ils sont identifiés par les lettres A à F. 15 D'autres superalliages monocristallins à base de nickel peuvent également être utilisés. Tableau 1 Exemples de superalliages monocristallins à base de nickel Elements alliages (pourcentages massiques) Ni Al Co Cr Mo Re Ta Ti W Cb Ru A Reste 5,2 6,5 7,8 2 0 7,9 1,1 5,7 B Reste 5,6 9,6 6,5 0,6 3 6,5 1 6 C Reste 5,73 9,6 3,46 0,6 4,87 8,28 0,86 5,5 D Reste 5,7 3 2 0,4 6 8 0,2 5 0,1 E Reste 5,8 12,5 4,2 1,4 5,4 7,2 0 6 F Reste 6 REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'une pièce (1) comprenant un substrat (2) en superalliage monocristallin à base de nickel, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à : -fabriquer un substrat (2) en superalliage monocristallin à base de nickel, - former sur ledit substrat (2), un revêtement (3) comprenant au moins une couche (30) d'un premier type comprenant de l'aluminium et du platine, au moins une couche (31) d'un deuxième type comprenant de l'aluminium, du silicium et du platine et une couche (32) d'un troisième type comprenant du nickel, de l'aluminium, du silicium et du platine, cette couche de troisième type (32) étant située la plus à l'extérieur de l'empilement de couches du revêtement (3), -former une couche (4) d'alumine dopée au silicium sur ladite couche de troisième type (32). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit revêtement (3) comprend au moins trois couches de premier type (30). 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit revêtement (3) comprend deux couches de deuxième type (31). 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit revêtement (3) comprend une succession de couches du premier type (30) et/ou une succession de couches de deuxième type (31). 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que dans ledit revêtement (3), la couche située au contact du substrat (2) en superalliage monocristallin à base de nickel est une couche de premier type (30) 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'au moins l'une des couches parmi la couche de premier type (30), la couche de deuxième type (31) et la couche de troisième type (32) est formée : -pour ladite couche de premier type (30) par dépôt d'une couche nanocristalline d'aluminium (302) puis d'une couche nanocristalline de platine (301) ou l'inverse, 3058164 13 -pour ladite couche de deuxième type (31) par dépôt dans un ordre quelconque d'une couche nanocristalline d'aluminium (302), d'une couche nanocristalline de platine (301) et d'une couche nanocristalline de silicium (310), 5 -et pour ladite couche de troisième type (32) par dépôt dans un ordre quelconque d'une couche nanocristalline d'aluminium (302), d'une couche nanocristalline de platine (301), d'une couche nanocristalline de nickel (303) et d'une couche nanocristalline de silicium (320), 10 et en ce que lesdites couches nanocristallines (301, 302, 303, 310, 320) sont soumises à un traitement de diffusion, de façon à former ledit revêtement (3 ) 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dépôt des différentes couches du revêtement (3) est réalisé par dépôt physique 15 en phase vapeur ou par dépôt chimique en phase vapeur. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le dépôt des différentes couches du revêtement (3) est réalisé par pulvérisation cathodique. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une étape supplémentaire 20 consistant à déposer une barrière thermique (5) sur ladite couche (4) d'alumine dopée au silicium. 10. Pièce (1) comprenant un substrat (2) en superalliage monocristallin à base de nickel, caractérisée en ce qu'elle comprend successivement sur ledit substrat (2), un revêtement (3) recouvert d'une couche (4) d'alumine dopée au silicium, ledit 25 revêtement (3) comprenant au moins une couche (30) d'un premier type comprenant de l'aluminium et du platine, au moins une couche (31) d'un deuxième type comprenant de l'aluminium, du silicium et du platine et une couche (32) d'un troisième type comprenant du nickel, de l'aluminium, du silicium et du platine, cette couche de troisième type (32) étant située la plus à 30 l'extérieur de l'empilement de couches du revêtement (3). 11. Pièce selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite couche (4) d'alumine dopée au silicium est recouverte d'une barrière thermique (5).