Brevet FR3070426A1 — publié le 20190301

PIÈCE D'ENTRÉE D'AIR ROTATIVE POUR TURBOMACHINE À REVÊTEMENT MULTIFONCTIONNEL DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte à la fabrication de pièces d'entrée d'air rotatives comportant un revêtement multifonctionnel. Elle s'applique préférentiellement aux rotors de compresseurs ou de turbines pour turbomachine. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les pièces d'entrée d'air rotatives, également appelées rotors, de type roue et rouet pour turbomachine, sont généralement réalisées en un alliage de titane, le plus souvent en TA6V. Le TA6V est l'alliage alpha-bêta le plus répandu dans l'industrie du titane et a pour formule chimique Ti6AI4V. En fonctionnement, ces pièces subissent des sollicitations thermiques, des sollicitations tribologiques et des sollicitations environnementales. En ce qui concerne les sollicitations thermiques, les températures de fonctionnement des pièces peuvent atteindre 500°C. Or, à 500°C, le TA6V s'oxyde significativement et des modifications de la structure du matériau se produisent. En particulier, il y a formation d'une couche superficielle oxydée riche en alpha case. Cependant, cette couche superficielle est fragile et modifie les caractéristiques mécaniques de la pièce, notamment sa ductilité et ses propriétés de fatigue dans le domaine HCF (pour « High Cycle Fatigue » en anglais) et de fatigue dans le domaine LCF (pour « Low Cycle Fatigue » en anglais). A ce jour, il n'existe pas de solutions connues à ce problème, ce qui limite le domaine d'utilisation des alliages base titane. En ce qui concerne les sollicitations tribologiques, on rencontre ce type de sollicitations sur la majorité des turbomachines en fonctionnement. En effet, il se 2 produit un contact (également appelé touche) entre le rotor et le stator d'une turbine ou d'un compresseur. Comme le fonctionnement d'une turbine ou d'un compresseur dépend directement de son stator et de son rotor, des baisses de performances apparaissent dans le cas d'une usure divergente du sommet du rotor. Pour résoudre ce 5 problème, on applique un revêtement abradable sur le stator, généralement choisi parmi des revêtements base aluminium ou des revêtements base nickel poreux. Cependant, ces revêtements sont soit limités en température (revêtements base aluminium limités autour de 450°C), soit limités en tenue à l'érosion et compatibilité titane (revêtement base nickel poreux) 10 En ce qui concerne les sollicitations environnementales, un moteur peut évoluer dans des environnements très différents (en particulier les moteurs d'hélicoptères). Le moteur va donc être soumis à certains modes de dégradation, dont l'érosion et la corrosion. En particulier, les particules solides ingérées par le moteur viennent détériorer et donc réduire l'efficacité du moteur. 15 On observe par exemple un enlèvement de matière par érosion rasante sur un bord de fuite d'un rouet ou encore un recul et un amincissement provoqués par des impacts rasant et à 90° sur un bord d'attaque d'une pale de roue axiale. Pour résoudre ce problème d'érosion, il est possible de mettre en place des solutions externes au moteur qui permettent de limiter l'ingestion de particules 20 (notamment de sable) par le moteur. On peut par exemple utiliser un filtre à sable. Les utilisateurs les plus exposés au phénomène d'érosion ont la possibilité d'équiper leur moteur d'un filtre à sable au niveau de l'entrée d'air. Comme son nom l'indique, ce système filtre l'air entrant dans le moteur afin d'éviter une ingestion trop importante de particules érosives. Ce 25 système est toutefois très onéreux et provoque de nettes baisses de performances du moteur. Cette solution a donc des limites et n'est pas généralisable sur tous les moteurs. Dans le cas d'un hélicoptère, on peut également utiliser un tapis de sol, placé sur la zone de décollage/atterrissage, ce qui évite que l'hélicoptère ne brasse le sable environnant durant les phases de décollage et d'atterrissage. 3 Cette solution permet de limiter l'impact du phénomène d'érosion ponctuellement, mais ne peut pas être considérée comme une solution efficace à long terme. On peut également mettre en place des solutions internes au moteur 5 sous la forme de revêtements de protection appliqués sur les pièces. Ces revêtements anti-érosion sont des revêtements durs réalisés par dépôt en phase vapeur, généralement à base de nitrure de type TiAIN, AlCrN, TiN, etc. Ces revêtements à base de nitrure sont connus pour leurs performances anti-érosion sur des pièces rotatives de type roue axiale monobloc ou pales rapportées. 10 A titre d'exemples, le document [1] décrit un revêtement anti-érosion à base de nitrure sur une pale de compresseur d'une turbine à gaz et le document [2] décrit un revêtement anti-érosion à base de nitrure appliqué au sommet d'une aube. Au final, aucun des enseignements de l'art antérieur ne propose une solution permettant à la fois de protéger la pièce rotative des sollicitations thermiques, 15 des sollicitations tribologiques et des sollicitations environnementales. Il existe donc un besoin d'optimisation de la protection d'une telle pièce. EXPOSÉ DE L'INVENTION Pour répondre à ce besoin, l'invention a pour objet une pièce d'entrée 20 d'air rotative pour turbomachine comportant un corps en un alliage de titane et un revêtement en un matériau à base de nitrure, caractérisée en ce que le revêtement est une couche à épaisseur variable recouvrant la totalité de la surface du corps et dans lequel, la surface du corps pouvant être divisée fictivement en au moins une première zone, destinée à être soumise à un contact avec un autre élément de la turbomachine, au 25 moins une deuxième zone, destinée à être soumise à une érosion, et au moins une troisième zone, destinée à être soumise à une oxydation, l'épaisseur de la première zone est supérieure à l'épaisseur de la deuxième zone, et l'épaisseur de la deuxième zone est supérieure à l'épaisseur de la troisième zone. 4 Le revêtement selon l'invention est un revêtement à épaisseur variable qui recouvre la totalité de la surface du corps de la pièce, l'épaisseur étant variable en fonction de la zone du corps qui est recouverte. Certains aspects préférés mais non limitatifs de la pièce selon l'invention 5 sont les suivants : - le matériau du revêtement est choisi parmi TiAIN, AlCrN, TiN, TiZrN et TiCrN ; - l'épaisseur de la première zone est comprise dans une gamme allant de 20 à 35 um, l'épaisseur de la deuxième zone est comprise dans une gamme allant de 10 10 à 25 um et l'épaisseur de la troisième zone est comprise dans une gamme allant de 5 à 20 11m; - le corps comprend au moins une pale ayant un bord d'attaque, un bord de fuite et un sommet, chaque pale comportant au moins une première zone et au moins une deuxième zone, chaque première zone englobant le sommet de ladite pale et 15 chaque deuxième zone englobant au moins l'un parmi le bord d'attaque et le bord de fuite de ladite pale ; - le corps est choisi parmi un rotor de compresseur centrifuge (également appelé rouet), un rotor de compresseur axial et un rotor de turbine. L'invention a également pour objet un procédé de revêtement d'une 20 telle pièce d'entrée d'air rotative pour turbomachine. Le procédé comprend : - la fourniture du corps ; - l'application du revêtement à épaisseur variable sur toute la surface du corps, par une technique de dépôt en phase vapeur choisie parmi un dépôt CVD (« Chemical Vapor Deposition » en anglais) ou un dépôt PVD (« Physical Vapor 25 Deposition » en anglais). A titre d'exemples, l'application du revêtement en un matériau à base de nitrure réalisée par PVD peut être réalisée par dépôt physique en phase vapeur par faisceau d'électrons (EBPVD pour « Electron Beam Physical Vapor Deposition » en anglais) ou bien par dépôt physique en phase vapeur par arc électrique (Arc-PVD) sur une cible contenant les éléments métalliques (Ti, Al, Cr,...) dans un environnement azoté (N2). BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres aspects, buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en 5 référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente une vue en coupe longitudinale schématique d'une turbomachine d'aéronef ; - la figure 2 représente une vue en perspective d'une roue axiale ; - la figure 3 représente une vue en perspective d'un rouet centrifuge ; 10 - la figure 4 représente une vue en perspective d'une aube 1 d'une turbine à gaz, en particulier d'un turbomoteur ; - les figures 5a et 5b représentent une vue en perspective de l'aube 1 de la figure 4, avec une représentation des zones du revêtement à épaisseur variable selon deux exemples de réalisation selon l'invention ; 15 - la figure 6 représente des profils de dureté vickers mesurés de l'interface entre le revêtement et le corps en direction de l'intérieur du corps pour trois éprouvettes différentes, afin démontrer l'intérêt d'un revêtement en TiAIN ou AlCrN sur un corps en alliage de titane ; - la figure 7 représente un graphique montrant la tenue à l'érosion d'un 20 revêtement en TiAIN sur un corps en alliage de titane ; - la figure 8 représente un graphique montrant la tenue à l'érosion d'un revêtement en AlCrN sur un corps en alliage de titane. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Afin de pallier aux sollicitations thermiques, tribologiques et 25 environnementales subies par une pièce rotative, il est proposé d'appliquer un revêtement à base de nitrure connu pour ses propriétés de protection contre l'érosion, par exemple un revêtement en TiAIN, AlCrN, TiN, TiZrN ou TiCrN, sur l'ensemble de la surface du corps de la pièce par un dépôt en phase vapeur. Ainsi, sur un rotor, par 5 6 exemple une roue axiale ou un rouet d'un compresseur centrifuge, les zones dans et hors de la veine d'air sont recouvertes. Le revêtement selon l'invention a la particularité d'avoir une épaisseur variable, de manière à pouvoir former une barrière de diffusion continue empêchant tout 5 échange du corps avec « l'extérieur », protégeant le corps de la pièce contre l'oxydation et la corrosion et contre des agressions de type érosion. L'épaisseur sera minimale dans la ou les zones destinées à ne subir qu'une oxydation ; elle sera un peu plus importante dans la ou les zones destinées à subir en outre une éventuelle érosion ; elle sera encore un peu plus importante dans la ou les 10 zones destinées à subir, outre une oxydation et une éventuelle érosion, une touche avec un organe. En ayant un revêtement à épaisseur variable, on protège le corps de la pièce des sollicitations thermiques, tribologiques et environnementales, tout en minimisant le poids du revêtement. On obtient ainsi un revêtement ayant des fonctions anti-érosion, anti-abrasion et anti-oxydation/corrosion améliorées sur des pièces rotatives à entrée 15 d'air à base de titane. En référence tout d'abord à la figure 1, il est représenté une turbomachine 1 d'aéronef, du type turbomoteur à double flux. Ce turbomoteur 1 est équipé de roues axiales 2 et de rouets centrifuges 3. En référence à la figure 2, il est représenté une roue axiale 2, munie 20 d'un disque 4 et de lames 6; en référence à la figure 3, il est représenté un rouet centrifuge 3, muni de lames 8. En référence à la figure 4, il est représenté un exemple d'une pièce 20 recouverte d'un revêtement à épaisseur variable selon l'invention. En l'occurrence, la pièce 20 est une aube de turbine. Elle comporte une pale 21 et un pied 22. La pale 21 est 25 formée avec un extrados 23 (surface extérieure convexe) et un intrados 24 (surface intérieure concave) ; l'extrados 23 et l'intrados 24 sont reliés à leurs extrémités amont par un bord d'attaque 25 et à leurs extrémités aval par un bord de fuite 26. La pale comporte également un sommet 27. Dans la figure 5a, la surface de l'aube est divisée fictivement en une 30 première zone 30, destinée à être soumise à une touche, deux deuxièmes zones 31a et 7 31b, destinées à être soumises à une érosion, et une troisième zone 32, destinée à être soumise à une oxydation. La première zone 30 englobe le sommet 27 de la pale ; la deuxième zone 31a englobe le bord d'attaque 25 et la deuxième zone 31b englobe le bord de fuite 26; la troisième zone 32 inclut tout le reste de la surface non comprise dans 5 les première et deuxièmes zones et englobe donc notamment le pied 22 et une partie de l'extrados 23 et de l'intrados 24. Le revêtement à épaisseur variable aura une épaisseur plus importante dans la première zone 30, une épaisseur médiane dans les deux deuxièmes zones 31a et 31b ou dans la deuxième zone 31 et une épaisseur moindre dans la troisième zone 32. De 10 préférence, l'épaisseur du revêtement dans la première zone 30 est comprise entre 20 et um, l'épaisseur du revêtement dans les deuxièmes zones 31a et 31b est comprise entre 10 et 25 um et l'épaisseur du revêtement dans la troisième zone 32 est comprise entre 5 et 20 um, les différentes épaisseurs étant choisies dans ces gammes de valeurs en veillant toutefois à ce que l'épaisseur du revêtement dans la au moins une première zone 15 soit supérieure à l'épaisseur du revêtement dans la au moins une deuxième zone et à ce que l'épaisseur du revêtement dans la au moins une deuxième zone soit supérieure à l'épaisseur du revêtement dans la au moins une troisième zone. Dans la figure 5a, nous avons une première zone 30, deux deuxièmes zones 31a et 31b et une troisième zone 32, mais il peut bien entendu y avoir d'autres 20 configurations, notamment deux ou plus de deux premières zones 30, une ou plus de deux deuxièmes zones 31 et deux ou plus de deux troisièmes zones 32. Par exemple, dans la figure 5b, à la différence de la figure 5a, il n'y a plus deux deuxièmes zones 31a et 31b, mais une seule deuxième zone 31, qui englobe le sommet 27. Pour illustrer l'invention, nous allons à présent faire différents tests sur 25 des pièces en TA6V, recouvertes ou non avec des revêtements TiAIN et AlCrN. Pour pallier aux modifications de structure dues au fonctionnement en température (sollicitations thermiques), les revêtements type TiAIN ou AlCrN seront appliqués sur l'ensemble de la pièce, formant ainsi une barrière de diffusion, de préférence selon une épaisseur comprise entre 5 et 20 um. 8 Pour démontrer l'effet des revêtements TiAIN et AlCrN, un traitement thermique a été appliqué sur des échantillons et des mesures de dureté ont ensuite été réalisés. Nous avons réalisé trois éprouvettes ayant un corps en alliage de titane 5 TA6V de dimensions 100 x 50 x 5 mm. La première éprouvette est recouverte d'une couche de revêtement en TiAIN de 15 iim d'épaisseur ; la deuxième éprouvette est recouverte d'une couche de revêtement en AlCrN de 15 iim d'épaisseur ; la troisième éprouvette sert d'échantillon témoin. Ces trois éprouvettes subissent un traitement thermique à 500°C sous 10 air pendant 500 heures. Des mesures de la microdureté sont réalisées sur une section transversale des éprouvettes par micro-indentation à l'aide d'un indenteur soumis à une charge de 0,05 kg pendant une durée de 10 s. Les profils de dureté vickers obtenus en micro dureté HV0,05 et mesurés 15 de l'interface revêtement/corps vers l'intérieur du corps pour chaque éprouvette sont présentés dans la figure 6. On constate que la première éprouvette (courbe 1), qui a un revêtement TiAIN, et la deuxième éprouvette (courbe 2), qui a un revêtement AlCrN, ont une dureté de 380 HV0,05 à l'interface, alors que la troisième éprouvette (courbe 3), qui 20 correspond à l'échantillon témoin, a une dureté de 510 HV0,05. On constate également que la première éprouvette (courbe 1) a un profil de dureté inférieur à celui de la troisième éprouvette (courbe 3) jusqu'à une profondeur d'environ 28 iim à partir de l'interface ; la deuxième éprouvette (courbe 2) a un profil de dureté inférieur à celui de la troisième éprouvette jusqu'à une profondeur 25 d'environ 33 iim. Par conséquent, les revêtements de TiAIN et de AlCrN de 15 iim d'épaisseur limitent donc l'apparition d'alpha case dans le TA6V sur une profondeur d'environ 30 iim. Au final, cela permet de limiter l'interaction de l'oxydation et/ou de la corrosion sur les propriétés mécaniques (fatigue particulièrement) des alliages base 30 titane. 9 Pour pallier au phénomène de touche observé sur les pièces rotatives (sollicitations tribologiques), par exemple entre les sommets de pales des rotors et les stators, les revêtements type TiAIN ou AlCrN seront appliqués en priorité sur la ou les zones sujettes à la touche, par exemple le sommet des pales (méridienne externe), de 5 préférence selon une épaisseur comprise entre 20 et 35 um. Pour démontrer l'effet des revêtements base nitrure, des essais de touche ont été réalisés entre une pièce de stator en acier inoxydable (par exemple un logement de roue axiale ou un couvercle centrifuge) et des pâles de rotor en TA6V, recouvertes (échantillons 5 à 8) ou non (échantillons 1 à 4), d'une couche de TiAIN d'une 10 épaisseur de 20 um déposée par dépôt Arc-PVD, les pâles en TA6V ayant une épaisseur de 1 mm et étant mises en rotation à une vitesse tangentielle en sommet de pale de 410 m/s et une vitesse d'incursion de 5 um/s ou de 50 um/s. Les résultats obtenus sont présentés dans le tableau ci-dessous. TA6V TA6V avec couche de TiAIN Numéro d'échantillon 1 2 3 4 5 6 7 8 Vitesse (m/s) 410 410 410 410 410 410 410 410 vitesse d'incursion (um/s) 5 50 5 50 5 50 5 50 Usure (%) 100 100 100 100 42,85 44,9 42,85 33,7 15 Les valeurs d'usure correspondent à un pourcentage par rapport à une usure de 100% correspondant à une profondeur maximale prise comme référence (rencontrée sur les échantillons 1 à 4). Les essais montrent que l'application d'un revêtement TiAIN permet une réduction supérieure à 50% de l'usure des pales à base titane face à un matériau typique 20 d'un logement roue axiale ou couvercle centrifuge. Enfin, pour pallier aux dégradations dues au phénomène d'érosion (sollicitations environnementales), les revêtements type TiAIN ou AlCrN seront appliqués 10 en priorité dans les zones soumises à l'érosion, comme par exemple les bords d'attaque et de fuite des pales, de préférence selon une épaisseur comprise entre 10 et 25 um. Plusieurs échantillons ont été réalisés en prenant des pièces en TA6V de dimensions 100 x 50 x 5 mm et en les recouvrant, pour certains, d'une couche de TiAIN ou 5 de AlCrN de 15 um d'épaisseur. Pour simuler une érosion, un jet de particules de quartz d'un diamètre de 150 um a été envoyé à une vitesse de 100 m/s environ sur la surface des échantillons selon une incidence 300 et selon une incidence 90° par rapport à cette surface. Les résultats sont présentés sous forme de graphiques dans les figures 7 10 et 8. Dans les figures 7 et 8, les échantillons TA6V servant de référence sont représentés par la courbe 1 (pour l'incidence à 30°) et par la courbe 2 (pour l'incidence à 90°). Dans la figure 7, les courbes 3 et 4 représentent les résultats pour les échantillons de TA6V recouvert de TiAIN respectivement pour une incidence de 30° (ligne en trait plein) 15 et une incidence de 90° (ligne en trait discontinu). Dans la figure 8, les courbes 5 et 6 représentent les résultats pour les échantillons de TA6V recouvert de AlCrN pour une incidence de 30° (ligne en trait plein) et une incidence de 90° (ligne en trait discontinu), respectivement. On constate que les performances à l'érosion sont excellentes pour les 20 deux angles d'incidences (30° et 90°) pour les échantillons recouverts de TiAIN et de AlCrN. En effet, aucune altération du revêtement n'a été observée après 1000s d'essai dans les deux cas. Au final, cette bonne tenue nous permet d'envisager des durées de vie supérieure en service des pièces recouvertes d'un tel revêtement. 25 REFERENCES CITE ES [1] US 2011/052406 Al [2] US 2015/0354373 REVENDICATIONS1. Pièce (20) d'entrée d'air rotative pour turbomachine comportant un corps en un alliage de titane et un revêtement en un matériau à base de nitrure, caractérisée en ce que le revêtement est une couche à épaisseur variable recouvrant la totalité de la surface du corps et dans lequel, la surface du corps pouvant être divisée fictivement en au moins une première zone (30), destinée à être soumise à un contact avec un autre élément de la turbomachine, au moins une deuxième zone (31a ; 31b), destinée à être soumise à une érosion, et au moins une troisième zone (32), destinée à être soumise à une oxydation, l'épaisseur de la première zone (30) est supérieure à l'épaisseur de la deuxième zone (31a; 31b), et l'épaisseur de la deuxième zone (31a ; 31b) est supérieure à l'épaisseur de la troisième zone (32). 2. Pièce selon la revendication 1, dans laquelle le matériau du revêtement est choisi parmi TiAIN, AlCrN, TiN, TiZrN et TiCrN. 15 3. Pièce selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans laquelle l'épaisseur de la première zone (30) est comprise dans une gamme allant de 20 à 35 um, l'épaisseur de la deuxième zone (31a ; 31b) est comprise dans une gamme allant de 10 à 25 um et l'épaisseur de la troisième zone (32) est comprise dans une gamme allant de 5 à 20 20 um. 4. Pièce selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle le corps comprend au moins une pale (21) ayant un bord d'attaque (25), un bord de fuite (26) et un sommet (27), chaque pale comportant au moins une première zone (30) et au 25 moins une deuxième zone (31a; 31b), chaque première zone (30) englobant le sommet (27) de ladite pale et chaque deuxième zone (31a; 31b) englobant au moins l'un parmi le bord d'attaque (25) et le bord de fuite (26) de ladite pale. 12 5. Pièce selon l'une la revendication 4, dans laquelle le corps est choisi parmi un rotor de compresseur centrifuge, un rotor de compresseur axial et un rotor de turbine. 5 6. Procédé de revêtement d'une pièce d'entrée d'air rotative pour turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, le procédé comprenant : - la fourniture du corps ; - l'application du revêtement à épaisseur variable sur toute la surface du corps, par une technique de dépôt en phase vapeur choisie parmi un dépôt CVD ou un 10 dépôt PVD.