Brevet FR3090697A1 — publié le 20200626

Description Titre de l'invention : PIECE DE TURBINE RESISTANTE AU SABLE FONDU Domaine technique [0001] L'invention concerne une pièce de turbine, telle qu'une aube de turbine ou une ailette de distributeur par exemple, utilisée dans l'aéronautique. Technique antérieure [0002] Dans un turboréacteur, les gaz d'échappement générés par la chambre de combustion peuvent atteindre des températures élevées, supérieures à 1200°C, voire 1600°C. Une pièce du turboréacteur, en contact avec ces gaz d'échappement, telle qu'une aube de turbine par exemple, doit ainsi être capable de conserver ses propriétés mécaniques à ces températures élevées. De plus, la corrosion et/ou l'oxydation du substrat de la pièce est favorisée par ces températures élevées. [0003] A cet effet, il est connu de protéger la pièce contre des températures trop élevées, l'oxydation et/ou la corrosion, en la recouvrant d'une barrière environnementale. [0004] La figure 1 illustre schématiquement une section d'une pièce 1 de turbine connue, par exemple une aube 6 de turbine ou une ailette de distributeur. La pièce 1 comprend un substrat 2, par exemple en superalliage métallique monocristallin. Le substrat 2 est recouvert d'un revêtement, par exemple d'une barrière environnementale 3. [0005] La figure 2 illustre schématiquement une section de la pièce 1 de turbine connue. La pièce 1 comprend le substrat 2 recouvert de la barrière environnementale 3. La barrière environnemental 3 comprend typiquement une sous-couche 4, une couche protectrice 5 et une couche thermiquement isolante 7. La sous-couche 4 recouvre le substrat 2. La sous-couche 4 est recouverte par la couche protectrice 5, formée par exemple par oxydation de la sous-couche 4. La couche protectrice 5 permet de protéger le substrat 2 de la corrosion et/ou de l'oxydation. La couche thermiquement isolante 7 recouvre la couche protectrice 5. La couche thenniquement isolante 7 peut être en céramique, par exemple en zircone yttriée. [0006] La barrière environnementale 3 se dégrade particulièrement lorsqu'elle est exposée à des particules de sable (par exemple des composés inorganiques tels que la silice) ou de manière plus générale à des oxydes de calcium, de magnésium, d'aluminium et/ou silicium, dont l'acronyme est CMAS. Les CMAS présentent des températures de fusion inférieure à celle des matériaux de la barrière environnementale 3, et peuvent ainsi s'infiltrer dans un état fondu dans la barrière environnementale 3 lors de l'utilisation de la pièce 1, particulièrement dans les interstices de la barrière environnementale 3. L'infiltration des CMAS dans la barrière environnementale 3 entraîne la 2 rigidilication de la barrière environnementale 3, ce qui peut entraîner sa rupture mécanique dans les conditions d'utilisation de la turbine. L'infiltration des CMAS entraîne également une dissolution de la couche thermiquement isolante 7 par réaction chimique entre le ou les CMAS et la couche thermiquement isolante 7. [0007] En reference à la figure 3 et à la figure 4, un ou plusieurs composés CMAS 8 peuvent s'infiltrer dans les interstices de la couche thermiquement isolante 7, entraînant la rigidification de la couche thermiquement isolante 7. [0008] En reference à la figure 5 et à la figure 6, la couche thermiquement isolante 7 peut être écaillée et rompue par une insertion de composés CMAS 8 lors de l'utilisation de la pièce 1, et par exemple être désolidarisée de la sous-couche 4. [0009] Levi et al. (Levi, C. G., Hutehinsan, J. W., Vidal-Sétif, M. H., & Johnson, C. A. (2012). Etzvirontnetztal degradation of thermal-harrier coatings hy tnolten deposits. MRS bulletin, 37(10), 932-941) décrit l'utilisation d'une pièce 1 recouverte de zirconate de terre rare, tel que Gd2Zr207(GZ0). Au contact de CMAS, le zirconate de terre rare est dissout, et précipite d'une part en une phase de fluorite Zr(Gd,Ca)O, et d'autre part en une phase très stable d'apatite Ca2GdeiO4)602. Ces précipitations entraînent le bouchage des interstices présents entre les différentes colonnes de GZO et/ ou de la couche thermiquement isolante 7 et la formation d'une barrière de diffusion, permettant de ralentir le taux de dissolution des colonnes de GZO et/ou de couche thermiquement isolante 7. [0010] En revanche, la précipitation de CMAS fondu, décrite par Levi et aL, bouche les in- terstices lorsque le CMAS est entré dans les interstices du GZO et/ou de la couche thermiquement isolante 7, entraînant une détérioration des propriétés mécaniques de la couche environnementale 3. [0011] Par exemple, une couche réactive de zirconate de lanthane (La2Zr2O7) peut également être déposée sur une pièce de turbine. Lors d'une mise en contact de la couche réactive avec des CMAS fondus, une partie de la couche réactive est dissoute, et la réaction entre la couche réactive et les CMAS produit une phase apatite de Ca2La5(SiG4)602. Des fissures apparaissent dans la couche réactive, entraînant l'apparition de zones de la pièce qui ne sont pas protégées des CMAS. [0012] US 2016/011589 décrit une couche réactive comprenant un revêtement anti-CMAS comprenant un oxyde présentant une structure weberite, permettant d'éviter l'infiltration de CMAS fondu dans la barrière environnementale. Exposé de l'invention [0013] Un but de l'invention est d'augmenter la résistance d'une pièce de turbine aux composés CMAS. [0014] Un autre but de l'invention est de proposer un revêtement permettant à une pièce de 3 turbine de résister aux composés CMAS différent d'un revêtement connu de l'art antérieur. [0015] Un autre but de l'invention est de proposer un revêtement permettant à une pièce de turbine de résister aux composés CMAS et présentant des propriétés mécaniques et/ou chimiques ajustablcs. [0016] Ces buts sont atteints dans le cadre de la présente invention grâce à une pièce de turbine, comprenant : [0017] - un substrat, [0018] - une barrière environnementale comprenant au moins une couche choisie parmi une couche thermiqucment isolante, une sous-couche adaptée à promouvoir l'adhésion entre le substrat et une couche thermiquement isolante, et une couche protectrice adaptée à protéger le substrat de l'oxydation et/ou de la corrosion, la barrière environnementale recouvrant au moins en partie le substrat, [0019] - au moins une couche réactive adaptée à réagir avec au moins un composé CMAS choisi parmi un oxyde de calcium, un oxyde de magnésium, un oxyde d'aluminium et un oxyde de silicium, la couche réactive recouvrant au moins une partie de la barrière environnementale, [0020] caractérisée en ce que le matériau de la couche réactive comprend un oxyde de formule A' A"BOs',,, A' étant choisi parmi une terre rare et l'yttrium, A" étant choisi parmi une terre rare, l'yttrium et l'aluminium, B étant choisi parmi le titane, le zirconium, le hafnium, le tantale et le niobium, 6 étant un nombre réel compris entre 0 et 0,5. [0021] L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises individuellement ou en l'une quelconque de leurs combinaisons techniquement possibles : [0022] - l'oxyde présente une maille choisie parmi une maille cubique, une maille ortho- rhombique et une maille hexagonale, [0023] - l'oxyde présente une fraction atomique en terre rare comprise entre 16 % et 25 %, notamment entre 18 % et 25 %, et plus préférentiellement entre 20 % et 25 %, [0024] - A' et A" sont le même élément, A' et A" étant choisis parmi une terre rare, l'aluminium, le scandium et l'yttrium, [0025] - la pièce comprend au moins deux couches réactives, les deux couches réactives présentant au moins un élément choisi parmi A', A" et B différent. [0026] - l'oxyde est adapté à former un précipité comprenant de l'apatite au contact d'un composé CMAS choisi parmi un oxyde de calcium, un oxyde de magnésium, un oxyde d'aluminium et un oxyde de silicium, [0027] - l'oxyde présente une maille cristalline présentant au moins un groupe d'espace de type choisi parmi [0028] [Math .1] F m 3 in [0029] [0030] [Math.2] Puma [0031] et [0032] [Math.3] P63 / m [0033] [0034] - la couche réactive recouvre directement une couche choisie parmi la couche ther- miquement isolante et la couche protectrice, [0035] - la couche réactive présente une épaisseur comprise entre 5 pm et 500 pm, [0036] - la couche réactive comprend entre 5 % et 80, % en volume dudit oxyde et comprend en outre au moins 10 % en volume d'un élément choisi parmi YSZ, A1,03, Y,03-Zr0,-Ta,05, RE,Zr,07ct Re,Si,07 et leurs combinaisons, RE désignant un élément choisi parmi l'yttrium et un lanthanide, [0037] - l'oxyde est adapté à former un produit lors d'une première réaction avec le composé CMAS, ledit produit étant adapté à former une phase apatite lors d'une deuxième réaction avec le composé CMAS et/ou avec un autre produit de la première réaction. [0038] L'invention concerne également un procédé de protection d'une pièce de turbine comprenant une étape de dépôt sur la pièce d'une couche réactive adaptée à réagir avec au moins un composé CMAS choisi parmi un oxyde de calcium, un oxyde de magnésium, un oxyde d'aluminium et un oxyde de silicium, caractérisé en ce que le matériau de la couche réactive comprend un oxyde de formule A'A"B0,44 A' étant choisi parmi une terre rare et l'yttrium, A" étant choisi parmi une terre rare, l'yttrium, le scandium et l'aluminium, B étant choisi parmi le titane, le zirconium, le hafnium, le tantale et le niobium, ô étant un nombre réel compris entre 0 et 0,5. [0039] Le procédé est avantageusement complété par les caractéristiques suivantes, prises individuellement ou en l'une quelconque de leurs combinaisons techniquement possibles : [0040] - la pièce comprend un substrat et une barrière environnementale comprenant au moins une couche choisie parmi une couche thermiquement isolante, une sous-couche adaptée à promouvoir l'adhésion entre le substrat et une couche thermiquement isolante, et une couche protectrice adaptée à protéger le substrat de l'oxydation et/ou de la corrosion, la barrière environnementale recouvrant au moins en partie le substrat, la couche réactive étant déposée sur la barrière environnementale, [0041] - la couche réactive est déposée par une méthode choisie parmi la projection plasma à pression atmosphérique ou faible pression, la projection plasma de suspension, la projection plasma de solution, la projection par flamme à grande vitesse en voie poudre ou voie suspension, l'évaporation par faisceau d'électrons, le dépôt en phase vapeur, le sol-gel et l'électrophorèse. Brève description des dessins [0042] D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la des- cription qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : [0043] [fie.11 - la figure 1 illustre schématiquement une section d'une pièce de turbine, par exemple une aube de turbine ou une ailette de distributeur, [0044] [fig.2] - la figure 2 est une microphotographie illustrant une section de substrat recouvert d'une barrière environnementale, [0045] [fig.3] - la figure 3 est une microphotographie, illustrant l'insertion de composés CMAS fondus dans la barrière environnementale, [0046] [fig.4] - la figure 4 est une microphotographie, illustrant l'insertion de composés CMAS fondus dans la barrière environnementale, [0047] W8.51 - la figure 5 est une microphotographie illustrant la rupture d'une barrière en- vironnementale, [0048] [fig.6] - la figure 6 une microphotographie illustrant la rupture d'une barrière envi- ronnementale, [0049] [fig.7] - la figure 7 illustre schématiquement une pièce de turbine comprenant un re- vêtement selon l'invention, [0050] [fig.8] - la figure 8 illustre schématiquement une pièce de turbine comprenant un re- vêtement selon l'invention, en contact avec des composés CMAS, [0051] [fig.9] - la figure 9 illustre schématiquement une pièce de turbine comprenant un re- vêtement selon l'invention. [0052] Sur l'ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques. DEFINITIONS 100531 On désigne par le terme « superalliage » un alliage 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). Les superalliages trouvent une application particulière dans la fabrication de pièces utilisées dans l'aéronautique, par exemple des aubes de turbine, car ils constituent une famille d'alliages à haute résistance pouvant travailler à des températures relativement proches de leurs points de fusion (typiquement 0,7 à 0,8 fois leurs températures de fusion). [0054] Un superalliage peut présenter une microstructure biphasique comprenant une première phase (appelée « phase y ») formant une matrice, et une deuxième phase 6 (appelée « phase y' ») formant des précipités durcissant dans la matrice. La coexistence de ces deux phases est désignée par phase y- y'. [0055] La « base » du superalliage désigne le composant métallique principal de la matrice. Dans la majorité des cas, les superalliages comprennent une base fer, cobalt, ou nickel, niais également parfois une base titane ou aluminium. La hase du superalliagc est préférentiellement une hase nickel. [0056] Les « superalliages hase nickel » présentent l'avantage d'offrir un bon compromis entre résistance à l'oxydation, résistance à la rupture à haute température et poids, cc qui justifie leur emploi dans les parties les plus chaudes des turboréacteurs. [0057] Les superalliages hase nickel sont constitués d'une phase y (ou matrice) de type aus- ténitique cubique à face centrée y-Ni, contenant éventuellement des additifs en solution solide de substitution a (Co, Cr, W, Mo), et d'une phase y' (ou précipités) de type y'-Ni3X, avec X = Al, Ti ou Ta. La phase y' possède une structure L12 ordonnée, dérivée de la structure cubique à face centrée, cohérente avec la matrice, c'est-à-dire ayant une maille atomique très proche de celle-ci. [0058] On désigne par le terme « fraction volumique » le rapport du volume d'un élément ou d'un groupe d'éléments sur le volume total. [0059] On désigne par « groupe d'espace » d'un cristal l'ensemble des symétries d'une structure cristalline, c'est-à-dire l'ensemble des isométries affines laissant la structure invariante. Il s'agit d'un groupe au sens mathématique du terme. Préférentiellement, un cristal est organisé, dans l'invention, selon un groupe d'espace de type [0060] [Math.4] F m 3 m [0061] , un groupe d'espace de type [0062] [Math.5] P ni a [0063] et/ou un groupe d'espace de type [0064] [Math.6] P63 / m c [0065] Description des modes de réalisation 100661 En référence à la figure 7, une pièce 1 comprend un substrat 2. Le substrat 2 peut être préférentiellement un substrat 2 en superalliagc, et de préférence en superalliagc à base nickel tel que décrit précédemment. Le substrat 2 est recouvert, au moins en partie, d'une barrière environnementale 3. La barrière environnementale 3 peut comprendre, de manière connue, et comme illustré en figure 1, une sous-couche 4 s'étendant entre le substrat 2 et les autres couches de la barrière environnementale 3, recouvrant di- 7 rectement le substrat 2, adaptée à promouvoir l'adhésion entre le substrat 2 et les autres couches de la barrière environnementale 3. La barrière environnementale 3 peut également comprendre une couche protectrice 5, adaptée à protéger le substrat 2 de l'oxydation et/ou de la corrosion, et recouvrant directement la sous-couche 4. La couche protectrice 5 est par exemple formée par oxydation de la sous-couche 4. Elle peut par exemple être en alumine. La barrière environnementale 3 peut également comprendre une couche thermiquement isolante 7, recouvrant directement la couche protectrice 5. [0067] La pièce 1 comprend également une couche réactive 9 adaptée à réagir avec au moins un composé CMAS 8. Le composé CMAS 8 peut être choisi parmi un oxyde de calcium, un oxyde de magnésium, un oxyde d'aluminium et /ou un oxyde de silicium et leurs combinaisons. La couche réactive 9 recouvre au moins en partie la barrière environnementale 3. Elle peut recouvrir directement au moins une des couches de la barrière environnementale 3, choisie parmi la couche protectrice 5 et la couche thermiquement isolante 7. Différentes couches réactives 9 peuvent également recouvrir différentes couches de la barrière environnementale 3. Le mode de réalisation illustré dans la figure 1 comprend au moins une couche réactive 9 recouvrant l'ensemble des couches de la barrière environnementale 3. La couche réactive 9 peut présenter une épaisseur comprise entre 5 !lm et 500 pm, de manière à permettre la formation d'une phase apatite au contact d'un composé CMAS 8. [0068] Le matériau de la couche réactive 9 comprend un oxyde de formule A'A"B05.,,5, A' étant choisi parmi une terre rare et l'yttrium, A'' étant choisi parmi une terre rare, l'yttrium, le scandium et l'aluminium, B étant choisi parmi le titane, le zirconium, le hafnium, le tantale et le niobium, ô étant un nombre réel compris entre 0 et 0,5. Cette formule permet à l'oxyde de la couche réactive 9 (ci-après « l'oxyde ») (le présenter une fraction volumique en terre rare et/ou en Yttrium assez élevée pour permettre une précipitation rapide du ou des composés CMAS fondus, et éviter leur introduction dans des interstices présentés clans la barrière environnementale 3. Cette formule peut également permettre avantageusement à l'oxyde de la couche réactive 9 de présenter une maille cubique. Le tableau 1 comprend les différents éléments A', A" et B qui peuvent être choisis pour l'oxyde. [0069] 8 [Tableaux 1] A' A" B Sc. Y, La, Sc, Y, La, Ta, Nb. Ti. Cc, Pr. Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy. Ho, Er, Tm, Yb, Lu Cc, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Al Zr, Hf [0070] Tableau 1 [0071] Ainsi, le matériau de l'oxyde peut présenter une fraction atomique en terre rare et/ou en yttrium, aluminium et scandium comprise entre 10 % et 25 %, et préférentiellement entre 18% et 25 % lorsque A' et A" sont des ten-es rares et/ou de l'yttrium. Cette gamme de fractions atomiques en terre rare et/ou en yttrium, comprenant des fractions atomiques plus élevées que celle de Gd,Zr207 par exemple, permet au matériau de la couche réactive 9 de présenter une cinétique de réaction avec le ou les composés CMAS 8 plus rapide que celle des matériaux décrits dans l'art antérieur (par exemple Gd2Zr207). Ainsi, le ou les composés CMAS 8 fondus en contact avec la couche réactive 9 sont immobilisés plus rapidement, ou ralentis par une production d'une phase apatite, épaississant et/ou solidifiant le composé réactif CMAS 8 à l'interface avec la barrière environnementale 3, et évitant le contact entre le ou les composés CMAS 8 et d'autres parties de la barrière environnementale 3. 100721 De par sa composition, l'oxyde peut également présenter une maille cristalline présentant une structure cristalline cubique, préférentiellement présentant un groupe d'espace de type 100731 IMath.71 Fm Sin 100741 , et/ou une structure cristalline de type hexagonale, préférentiellement présentant un groupe d'espace 100751 IMath.81 Pn ma 100761 , et/ou une structure de type hexagonale, préférentiellement présentant un groupe d'espace 100771 IMath.91 PC3/m77ïc 100781 9 [0079] Avantageusement, les éléments A' et A" peuvent être différents. Ainsi, la réactivité de l'oxyde par rapport à un/aux CMAS 8 peut être augmentée par la formation de différentes phases, dont au moins une phase apatite, par exemple de formule CanREs(SiO4 )60n, RE étant une terre rare ou l'yttrium. Un ou plusieurs oxydes secondaires peuvent également être produits par la réaction entre l'oxyde et le ou les composés CMAS 8. [0080] Avantageusement, les éléments A', A", B sont choisis de manière à permettre la formation d'un oxyde secondaire, issu de la réaction entre l'oxyde et le ou les composés CMAS 8. L'oxyde secondaire formé peut être réactif à des produits secondaires de la réaction entre l'oxyde et le ou les composés CMAS 8. L'oxyde secondaire formé peut également être directement réactif au composé CMAS 8. Les oxydes secondaires produits peuvent être, par exemple : [0081] - des zircones (ZrO2) stabilisés par la chaux (CaO) et/ou par la magnésie (MgO), [0082] - des oxydes d'hafnium (Hf00) stabilisés par la chaux (CaO) et/ou la magnésie (MgO), [0083] - des pérovskites, de types titanates de calcium (CaTiOE) ou de magnésium (MgTiO1 ). [0084] Ces différents oxydes secondaires peuvent être adaptés à former une phase apatite lors de la réaction avec le ou les composés CMAS 8. [0085] Les éléments A' et A" peuvent être le même élément A : l'oxyde de la couche réactive 9 peut être décrit par la formule A2B05.,t,, t étant un nombre réel compris entre 0 et 0,5. Les éléments de l'oxyde sont choisis parmi les éléments décrits dans le tableau 2. [0086] [Tableaux2] A B Sc, Y, La, Ta, Nb, Ti, Ce, Pr, Nd, Zr, Hf Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu 100871 Tableau 2 100881 Ainsi, la fraction atomique en terre rare ou en aluminium ou en scandium ou en yttrium peut être augmentée par rapport aux oxydes connus, de par la structure de l'oxyde. La fabrication de la couche réactive 9 peut également être simplifiée de cette manière. 100891 Avantageusement, la couche réactive 9 peut comprendre d'autres oxydes anti- CMAS. La couche réactive 9 peut comprendre entre 5 % et 80 % en volume dudit oxyde et comprend en outre au moins 10 % en volume d'un élément choisi parmi YSZ, A1,03, Y203-Zr0,-Ta,05, RE,Zr,07et Re2Si,07 et leurs combinaisons, RE désignant un élément choisi parmi l'yttrium et un lanthanide. [0090] Un autre aspect de l'invention est un procédé de protection d'une pièce au(x) sable(s) fondu(s). Le procédé comprend une étape de dépôt de la couche réactive 9 telle que décrite précédemment, sur une pièce 1, ou une partie de la pièce 1. Par « partie de la pièce 1 », on entend une partie de la surface et/ou une partie interne de la pièce 1 (auquel cas une ou plusieurs couches de la pièce 1 peuvent recouvrir la couche réactive 9 une fois la pièce 1 fabriquée). Après le dépôt, la pièce 1 comprend la couche réactive 9. La couche réactive 9 peut être déposée directement sur le substrat 2 de la pièce 1, par exemple un substrat 2 en superalliage, ou sur une ou plusieurs couches d'une barrière environnementale 3. Le dépôt de la couche réactive 9 peut être réalisé sur au moins l'une des couches formant la barrière environnementale 3, et préférentiellement sur la couche thermiqucment isolante 7. Ainsi, et contrairement aux pièces connues, la pièce 1 comprenant la couche réactive 9 déposée sur la couche thcrmiquemcnt isolante 7 présente une réactivité suffisante avec le ou les composés CMAS 8 pour produire au moins une phase apatitc avant l'insertion du ou des composés CMAS 8 fondus dans les interstices de la couche thermiquement isolante 7, et ainsi éviter ou limiter cette insertion. De cette manière, le ou les composés CMAS 8 peuvent plus difficilement accéder à la surface de la barrière environnementale 3, et leur effet sur la rupture de la barrière environnementale 3 est limité. Exemples [0091] Réaction entre un CMAS 8 liquide et une couche réactive de Gel , Ti() [0092] En référence à la figure 8, une couche réactive 9 comprenant l'oxyde GchTi05. est soumise à une agression chimique par un CM AS fondu 8. La couche réactive 9 est déposée par projection plasma de suspensions (SPS, acronyme anglais de Suspension Plasma Spraying) lors de la fabrication de la pièce I. [0093] En référence à la figure 9, après un temps de réaction par exemple supérieur à 5 min, préférentiellement supérieur à 1 min, une partie de la couche réactive 9 est dissoute par le composé CMAS 8, et une phase d'apatite Ca3Gd5(SiO4)603 étanche aux CMAS 8 fondus est formée entre la couche réactive 9 et les CMAS 8 fondus. La couche de Ca, Gdg(SiO4)60, est également étanche aux autres produits de la réaction (produits secondaires) entre la couche réactive 9 et les composés CMAS 8. La couche de Ca,Gd, (Si04602permet également de produire des phases secondaires, permettant de protéger la couche réactive 9. La barrière environnementale 3 ne présente aucune fissure. En 11 effet, le réservoir de cations de composé A, c'est-à-dire A' et A" quand A' et A" sont le même élément, permet de former une couche étanche et donc de limiter la profondeur de pénétration, par rapport à l'utilisation d'une couche réactive connue telle que à La2Zr2O7. 12