Brevet FR3055351A1 — publié le 20180302

Procédé de réalisation d'un système barrière thermique sur un substrat métallique d'une pièce de turbomachine DOMAINE TECHNIQUE Le domaine de la présente invention est celui des turbomachines, et plus particulièrement celui des pièces de ces turbomachines qui sont soumises à de fortes températures, telles que les aubes de turbine haute pression. ETAT DE L'ART Une turbomachine, telle qu'utilisée pour la propulsion dans le domaine aéronautique, comprend une entrée d'air atmosphérique qui communique avec un ou plusieurs compresseurs, dont généralement une soufflante, entraînés en rotation autour d'un même axe. Le flux primaire de cet air, après avoir été comprimé, alimente une chambre de combustion disposée annulairement autour de cet axe et est mélangé à un carburant pour fournir des gaz chauds, en aval, à une ou plusieurs turbines à travers lesquelles ceux-ci sont détendus, les rotors de turbine entraînant les rotors des compresseurs. Les moteurs fonctionnent à une température des gaz chauds en entrée de turbine que l'on cherche aussi élevée que possible, car cette température conditionne les performances de la turbomachine. Dans ce but, les matériaux des parties chaudes sont sélectionnés pour résister à ces conditions de fonctionnement et les parois des pièces balayées par les gaz chauds, telles que les distributeurs ou les ailettes mobiles de turbine, sont pourvues de moyens de refroidissement. Par ailleurs, en raison de la constitution métallique en superalliage à base de nickel ou de cobalt de ces aubes, il est également nécessaire de les prémunir contre l'érosion et la corrosion qui sont engendrées par les constituants des gaz chauds à ces températures. Parmi les protections imaginées pour permettre à ces pièces de résister à ces conditions extrêmes, figure le dépôt de plusieurs matériaux 3055351 2 formant un « système barrière thermique », sur leur face externe. Un système barrière thermique se compose généralement d'une couche céramique d'environ une centaine de microns, qui est déposée à la surface de la couche métallique. Une sous-couche en aluminium, appelée couche 5 de liaison, de quelques dizaines de microns, placée entre la céramique et le substrat métallique, complète la barrière thermique en assurant la liaison entre ces deux composants ainsi que la protection du métal sous-jacent contre l'oxydation. Cette sous-couche en aluminium, qui est généralement déposée par un procédé d'aluminisation en phase vapeur, se fixe au 10 substrat par inter-diffusion métallique et forme une couche protectrice d'oxyde en surface. Un exemple de la mise en oeuvre de cette technique est décrit dans le document FR 2928664. Quant à la barrière thermique proprement dite, en céramique, elle peut être réalisée de plusieurs façons, selon l'utilisation qui en sera faite. 15 On distingue grossièrement deux types de structures pour les barrières thermiques : des barrières colonnaires dont la structure est celle de colonnes juxtaposées les unes à côté des autres et qui s'étendent perpendiculairement à la surface du substrat, et des barrières lamellaires ou isotropes qui s'étendent en couches uniformes sur la surface du 20 substrat. Les barrières colonnaires sont généralement réalisées par un procédé dit EBPVD (pour Electron Beam Physical Vapor Deposition en langue anglaise ou dépôt physique en phase vapeur par faisceau d'électrons) dans lequel une anode cible est bombardée, sous vide poussé, 25 par un faisceau d'électrons émis par un filament de tungstène chargé. Le faisceau d'électrons fait passer les molécules de la cible en phase gazeuse. Ces molécules précipitent alors sous une forme solide, recouvrant la pièce à protéger d'une couche mince du matériau de l'anode. Ces barrières thermiques se caractérisent par une bonne résistance 30 thermique mais aussi par une conductivité thermique relativement élevée. 3055351 3 Le système barrière thermique vieillit, du fait des phénomènes couplés d'oxydation cyclique, d'érosion, d'exposition à un environnement riche en un ensemble de particules d'oxydes communément appelés CMAS (pour oxydes de calcium, magnésium, aluminium et silicium). Le 5 vieillissement entraîne une dégradation rapide du système. Des mécanismes multiples se produisent, et en particulier : - une augmentation de la rugosité de la couche de liaison, du fait de l'oxydation croissante, entraînant le décollement de la barrière thermique, - l'infiltration des oxydes CMAS dans les espaces intercolonnaires de 10 la céramique, causant sa fragilisation, - une faible résistance aux chocs avec des corps étrangers, du fait de la faible ténacité des matériaux céramiques. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients, en proposant un procédé de réalisation d'un système barrière thermique 15 permettant de lutter contre le vieillissement du système. EXPOSE DE L'INVENTION L'invention a ainsi pour objet un procédé de réalisation d'un système barrière thermique sur un substrat métallique d'une pièce de turbomachine, 20 telle qu'une aube de turbine haute pression, le système barrière thermique comprenant au moins une couche de céramique colonnaire. Conformément à l'invention, le procédé comprend une étape de compression d'au moins une de ladite au moins une couche de céramique colonnaire. La compression peut être partielle ou totale. La couche de 25 céramique comprimée comprend ainsi au moins une partie comprimée. Ainsi avantageusement, l'étape de compression permet de resserrer les espaces entre les colonnes de la ou des couches de céramique comprimées, ce qui a pour effet de limiter les infiltrations des oxydes CMAS, d'augmenter la durée de vie du système barrière thermique, et 30 d'améliorer les propriétés mécaniques du système barrière thermique. 3055351 4 La compression peut par exemple être un grenaillage, un microbillage ou encore une compression par choc laser. Ledit substrat est typiquement un substrat en superalliage à base de nickel ou de cobalt. 5 Ladite au moins une couche de céramique colonnaire peut être une couche de zircone yttriée. Ladite au moins une couche de céramique colonnaire peut être obtenue par dépôt physique en phase vapeur. Le dépôt en physique en phase vapeur peut être un dépôt physique 10 en phase vapeur par faisceau d'électrons (EBPVD). Le système barrière thermique peut comprendre une ou plusieurs couches de céramique colonnaires, et le procédé peut comprendre la compression d'une ou de l'ensemble des couches de céramique colonnaires. 15 Le procédé peut en particulier comprendre la compression de la couche supérieure de céramique ou la compression de la couche de céramique située directement sous ladite couche supérieure. Le système barrière thermique peut comprendre en outre une couche de liaison disposée entre ledit substrat métallique et ladite au moins 20 une couche de céramique colonnaire. Ladite couche de liaison peut être une couche d'un matériau, notamment alumino-formeur, comprenant en surface une couche d'alumine. Le procédé peut comprendre une étape de compression de ladite 25 couche de liaison. Le procédé peut comprendre successivement : - la formation d'une couche de liaison sur le substrat métallique, la couche de liaison pouvant être comprimée, - la formation, sur la couche de liaison, d'une ou plusieurs couches 30 de céramique, au moins une de la ou desdites couches de céramique pouvant être comprimée. 3055351 5 L'invention a également pour objet une pièce de turbomachine, telle qu'une aube de turbine haute pression. Ladite pièce de turbomachine comprend un système barrière thermique réalisé par un procédé décrit ci-dessus. L'aube peut être par exemple une aube fixe ou une aube mobile de 5 turbine haute pression. DESCRIPTION DES FIGURES L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description 10 suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un système barrière thermique d'une aube de turbomachine de l'état de la technique, - les figures 2 et 3 sont des vues schématiques en coupe d'un 15 système barrière thermique réalisé selon un procédé selon l'invention, conformément à deux variantes d'un premier mode de réalisation ; - la figure 4 est une vue schématique en coupe d'un système barrière thermique réalisé selon un procédé selon l'invention, conformément à un deuxième mode de réalisation ; 20 - les figures 5 et 6 sont des vues schématiques en coupe d'un système barrière thermique réalisé selon un procédé selon l'invention, conformément à deux variantes d'un troisième mode de réalisation ; - la figure 7 est une vue schématique en coupe d'un système barrière thermique réalisé selon un procédé selon l'invention, 25 conformément à un quatrième mode de réalisation; - la figure 8 est une vue schématique en coupe d'un système barrière thermique réalisé selon un procédé selon l'invention, conformément à un cinquième mode de réalisation. 30 DESCRIPTION DETAILLEE 3055351 6 En se référant à la figure 1, on voit en coupe la composition d'un système barrière thermique déposé sur la surface d'une aube de turbine, celle-ci étant baignée par un flux de gaz chaud représenté par une flèche dirigée vers la gauche de la figure. Le métal constituant l'aube, typiquement 5 un super alliage à base nickel ou cobalt, forme un substrat 1 sur lequel est déposée une sous-couche en aluminium 2, dite couche de liaison, prise en sandwich entre le substrat 1 et une couche céramique 3. La fonction de la couche de liaison 2 est de retenir la couche céramique 3 et d'offrir une certaine élasticité à l'ensemble pour lui permettre d'absorber la différence 10 de dilatation, représentée par deux flèches de sens opposé, existant entre le substrat 1 à forte dilatation et la céramique 3 à faible dilatation. La couche de liaison 2 peut être de formule MCrAIY, dans laquelle M désigne Fe, Ni, Co et leurs mélanges. Elle peut être obtenue par projection plasma conventionnelle, par exemple de type APS (Air Plasma Spraying en 15 langue anglaise). La couche de liaison 2 de type MCrAIY peut être remplacée par une aluminure de nickel ou modifiée par le platine, ou par une couche de type gamma/gamma'-MCrAIY. La céramique 3 représentée ici est à structure colonnaire, ce qui autorise des déplacements latéraux, du fait de l'apparition de fissures entre 20 les colonnes, et ce qui lui confère une bonne durée de vie. L'aluminium est alors mis en contact avec de l'oxygène véhiculé par les gaz qui circulent dans la veine de la turbomachine, ce qui se traduit par une conductivité thermique moyenne de la barrière et un endommagement progressif de celle-ci. 25 Le revêtement céramique peut être constitué d'un empilement d'une ou plusieurs couches, réalisées par exemple par un dépôt physique en phase vapeur sous faisceau d'électrons (EBPVD). La première couche de céramique est préférentiellement à base de zircone yttriée partiellement stabilisée YSZ (pour Yttria-Stabilized Zirconia en langue anglaise). Pour les 30 autres couches de céramique, différents types de couches peuvent être envisagés : 3055351 7 - un mono oxyde, comme par exemple A1203 ou Y203, - une zircone dopée par un ou plusieurs oxydes de terres rares, - un zirconate de terre rare, comme par exemple Gd2Zr2O7, Sm2Zr2O7 ou Yb4Zr3012, 5 - une pérovskite, comme par exemple Ba(Mg113Ta2/3)03, La(AlimMgit2Taii4)03, - un hexaaluminate, par exemple de formule générale REMA111019, dans laquelle RE désigne un élément allant de La à Gd dans le tableau périodique, et M désigne un élément choisi parmi Mg, Mn à Zn, Cr et Sm, 10 - les orthophosphates de lanthanides. Le système barrière thermique a pour fonction de prolonger la durée de vie de l'aube et d'augmenter la température des gaz, et donc le rendement du moteur. En service, la structure et la composition des différents constituants du système évoluent sous l'action du frittage de la 15 couche céramique, de l'oxydation de la couche de liaison et des phénomènes d'interdiffusion avec le substrat, avec pour conséquences une modification des propriétés des différentes couches et une altération de la résistance de la zone interfaciale. Ces modifications, associées aux sollicitations thermo-mécaniques extérieures, sont à l'origine de la rugosité 20 de la couche de liaison conduisant à des délaminages à l'interface couche de liaison/céramique, et, in fine, à l'écaillage du système barrière thermique. Ces processus de dégradation peuvent être accélérés par les interactions avec l'environnement extérieur. Pour y remédier, et conformément à l'invention, on procède à la 25 compression d'au moins une couche de céramique colonnaire. Dans un premier mode de réalisation, on procède à la compression de la couche supérieure de céramique colonnaire. Tel qu'illustré à la figure 2, le revêtement céramique comprend une unique couche 3 de céramique, par exemple de type YSZ. La couche 3 de céramique subit une 30 opération de mise en compression C3, de manière à resserrer les espaces intercolonnaires à la surface, ce qui a pour effet : 3055351 8 - une limitation des infiltrations des oxydes CMAS, - une augmentation de la durée de vie du système barrière thermique, - une amélioration des propriétés mécaniques, telle que la dureté 5 superficielle, - une augmentation de la résistance à l'érosion, et - une augmentation de la ténacité du système barrière thermique. La compression de la couche 3 de céramique est symbolisée sur la figure 2 par la référence C3 illustrant une portion de couche comprimée. La 10 couche 3 peut être comprimée de manière partielle ou totale, c'est-à-dire sur tout ou partie de la hauteur de la couche 3. Dans la variante illustrée à la figure 3, le revêtement céramique comprend une pluralité de n couches de céramique. Une couche inférieure 31 repose sur la couche de liaison 2. En remontant vers la 15 surface du système barrière thermique, on trouve une couche intermédiaire 3i et la couche supérieure 3n. La compression de la couche supérieure 3n de céramique est symbolisée sur la figure 2 par la référence C3n. La couche 3n peut être comprimée de manière partielle ou totale, c'est-à-dire sur tout ou partie de la hauteur de la couche 3n. La mise 20 en compression C3n permet de resserrer les espaces intercolonnaires à la surface du système barrière thermique et procure les mêmes avantages que ceux mentionnés pour la figure 2. Dans un deuxième mode de réalisation, illustré à la figure 4, chaque couche du revêtement céramique qui comprend n couches est soumise à 25 une compression, partielle ou totale. Ainsi, la première couche 31, par exemple de type YSZ, est soumise à une compression C31, chaque couche intermédiaire 3i est soumise à une compression C3i et la couche supérieure 3n est soumise à une compression C3n. Le substrat 1 de l'aube de turbine est préalablement revêtu ou non 30 d'une couche de liaison 2 de type MCrAIY, M désignant Fe, Ni, Co et leurs mélanges. La couche de liaison 2 peut être obtenue par projection plasma 3055351 9 conventionnelle, par exemple de type APS (Air Plasma Spraying en langue anglaise). La couche de liaison 2 de type MCrAIY peut être remplacée par une aluminure de nickel ou modifiée par le platine, ou par une couche de type gamma/gamma'-MCrAIY. 5 Le revêtement céramique est constitué d'un empilement de n couches 31, ..., 3i, ..., 3n, réalisées par le procédé de dépôt physique en phase vapeur sous faisceau d'électrons (EBPVD). La première couche 3i est préférentiellement à base de zircone yttriée partiellement stabilisée. Après la réalisation de chaque couche de céramique par EBPVD, 10 une opération de mise en compression est effectuée permettant d'obtenir un état de surface moins rugueux, ayant pour effets l'amélioration de la regermination de colonnes plus petites et d'espaces intercolonnaires de plus en plus resserrés au fur et à mesure de la formation des couches supérieures. Ces compressions entraînent : 15 - une limitation des infiltrations des oxydes CMAS ; - une augmentation de la durée de vie du système barrière thermique, et - une augmentation de la ténacité du système barrière thermique. Dans un troisième mode de réalisation, illustré aux figures 5 et 6, la 20 couche de liaison du système barrière thermique des deux variantes du premier mode de réalisation est également soumise à une compression, partielle ou totale. Ainsi, le système barrière thermique voit à la fois sa couche de liaison et sa couche supérieure de céramique mises en compression. La figure 5 illustre le système barrière thermique avec une 25 seule couche 3 de céramique, tandis que la figure 6 illustre le système barrière thermique avec n couches 31, ..., 3i, ..., 3n de céramique. Le substrat 1 de l'aube de turbine est préalablement revêtu d'une couche de liaison 2 de type MCrAIY, M désignant Fe, Ni, Co et leurs mélanges. La couche de liaison 2 peut être obtenue par projection plasma 30 conventionnelle, par exemple de type APS (Air Plasma Spraying en langue anglaise). La couche de liaison 2 de type MCrAIY peut être remplacée par 3055351 10 une aluminure de nickel ou modifiée par le platine, ou par une couche de type gamma/gamma'-MCrAIY. La mise en compression de la couche de liaison 2 permet : - une densification partielle ou totale de la couche de liaison 2 et un 5 contrôle de sa rugosité, avec comme effet recherché la réduction de la cinétique de déformation de cette couche au cours du cycle thermique ; - la génération de contraintes résiduelles ayant pour effet une augmentation de la dureté de la couche 2. Dans un quatrième mode de réalisation, illustré à la figure 7, la 10 couche de liaison 2 et l'avant-dernière couche supérieure 3(n-1) de céramique sont soumises à une compression C2 et C3(n-1) respectivement, partielle ou totale. Enfin, dans un cinquième mode de réalisation, la couche de liaison 2 et l'ensemble des couches 31, ..., 3i, ..., 3n de céramique sont soumises à 15 une compression (figure 8). REVENDICATIONS1. Procédé de réalisation d'un système barrière thermique sur un substrat métallique (1) d'une pièce de turbomachine, telle qu'une aube de turbine haute pression, le système barrière thermique comprenant au moins une couche de céramique colonnaire (3 ; 31,..., 3i,..., 3n), caractérisé en ce que le procédé comprend une étape de compression d'au moins une de ladite au moins une couche de céramique colonnaire (3 ; 31,..., 3i,..., 3n). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit substrat (1) est un substrat en superalliage à base de nickel ou de cobalt. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite au moins une couche de céramique colonnaire (3 ; 31, ..., 3i, ..., 3n) est une couche de zircone yttriée. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite au moins une couche de céramique colonnaire (3 ; 31,..., 3i ..., 3n) est obtenue par dépôt physique en phase vapeur. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dépôt en phase vapeur est un dépôt physique en phase vapeur par faisceau d'électrons (EBPVD). 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le système barrière thermique comprend plusieurs couches de céramique colonnaires (31,..., 3i,..., 3n), et en ce que le procédé comprend la compression d'une ou de l'ensemble des couches de céramique colonnaires (31,..., 3i,..., 3n). 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le procédé comprend la compression de la couche supérieure de céramique (3n) ou la compression de la couche de céramique (3(n-1)) située directement sous ladite couche supérieure (3n). 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le système barrière thermique comprend en outre une couche de 3055351 12 liaison (2) disposée entre ledit substrat métallique (1) et ladite au moins une couche de céramique colonnaire (3 ; 31,..., 3i,..., 3n). 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite couche de liaison (2) est une couche d'un matériau alumino-formeur 5 comprenant en surface une couche d'alumine. 10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que le procédé comprend une étape de compression de ladite couche de liaison (2). 11. Pièce de turbomachine, telle qu'une aube de turbine haute pression, 10 caractérisée en ce qu'elle comprend un système barrière thermique réalisé par un procédé selon l'une des revendications 1 à 10.