Brevet FR3099997A1 — publié le 20210226

Description Titre de l'invention : PROCEDE DE PREPARATION DE SURFACE OPTIMISE POUR PIECE DE TURBOMACHINE Domaine de l'invention [0001] La présente invention concerne le domaine des préparations ou traitements de surface pour des pièces, notamment des pièces de turbomachine. Arrière-plan technique [0002] Dans le domaine aéronautique et plus particulièrement dans les turbomachines, des pièces évoluent dans des environnements très agressifs et/ou subissent de fortes contraintes mécaniques qui réduisent leurs durées de vie, voire conduisent à leur endommagements et ruptures. Certaines des pièces de turbomachine sont réalisées par l'assemblage de deux ou plusieurs substrats dans des matériaux similaires ou différents dans le but par exemple de renforcer leurs résistances mécaniques une fois assemblées. D'autres peuvent par exemple être protégées par des revêtements fonctionnels qui sont destinés à éviter leur érosion, corrosions et/ou endommagements en cas de chocs d'objets étrangers. [0003] Afin de permettre une bonne adhérence d'un revêtement fonctionnel ou d'un adhésif destiné à l'assemblage de substrats, la préparation de leur surface est une étape importante. Cette étape doit permettre de garantir les propriétés mécaniques de la pièce obtenue par collage et/ou l'adhérence des revêtements fonctionnels, ainsi que leur durabilité dans le temps. La majorité des fabricants d'adhésifs et de revêtements fonctionnels proposent des primaires d'adhérence afin d'améliorer l'adhésion avec les adhésifs ou revêtements fonctionnels. [0004] Il est connu de réaliser un traitement ou une préparation de surface pour favoriser l'adhérence du primaire d'adhérence sur une surface du substrat. Le procédé comprend les étapes de dégraissage, de décapage chimique, de neutralisation et de rinçage avant l'application du primaire d'adhérence. Cependant, il a été constaté qu'après le rinçage du substrat, des résidus ou particules de la surface traitée après le décapage sont encore présent(e)s sur les rugosités de la surface destinée à recevoir le primaire d'adhérence. Ces résidus se présentent comme une poudre qui empêche une parfaite adhérence du primaire d'adhérence. [0005] En outre, étant donné que les pièces sont assemblées ou revêtues dans une usine différente de celle où elles ont été fabriquées, les primaires d'adhérence servent également à protéger la surface du substrat le temps de réaliser l'assemblage ou de protéger le substrat avec le revêtement fonctionnel formant la pièce. La durée de vie du substrat avec ce primaire d'adhérence est limitée ou réduite en fonction des conditions 2 de fabrication, de stockage et de la durée de vie du primaire d'adhérence en lui-même. [0006] Lorsque les propriétés d'adhérence du primaire ne sont plus satisfaisantes, celui-ci doit être entièrement éliminé et appliqué à nouveau. De même, certains assemblages structuraux, tels que l'assemblage d'un bord d'attaque métallique sur le corps d'une aube composite ou un capot métallique sur une aube de guidage de sortie (00V) métallique sont fortement sollicités mécaniquement et un primaire d'adhérence défaillant peut réduire la durée de vie de ces assemblages. Il est donc important de maximiser les propriétés d'adhésion des surfaces afin de garantir l'intégrité et la durabilité de la pièce en service, telle que la tenue à l'impact. Par ailleurs, les revêtements fonctionnels de type anti-érosion ou anti-impact par exemple peuvent être sujets à des décollements en fonctionnement car ceux-ci sont soumis à des conditions extrêmes (sable, variations thermiques, humidité, déformations mécaniques, etc.). Résumé de l'invention [0007] L'objectif de la présente invention est de réaliser une préparation de surface d'un substrat de manière à optimiser son adhérence avec des revêtements fonctionnels et/ou des adhésifs et/ou des primaires d'adhérence. [0008] Nous parvenons à cet objectif conformément à l'invention grâce à un procédé de pré- paration de surface d'une pièce, en particulier de turbomachine, comprenant les étapes suivantes et successives : - fourniture a) d'un premier substrat comprenant une première surface, - dégraissage h) de la première surface, - décapage c) de la première surface au moyen d'un bain chimique alcalin, - neutralisation d) du bain chimique sur la première surface, - rinçage c) du premier substrat par immersion dans un bain de rinçage, - application f) d'un primaire d'adhérence sur la première surface, - séchage g) de la première surface comprenant le primaire d'adhérence et - application h) d'un revêtement sur le primaire d'adhérence, l'étape de rinçage c) étant réalisée avec des ultrasons qui parcourent le bain de rinçage. [0009] Ainsi, cette solution permet d'atteindre l'objectif susmentionné. En particulier, l'utilisation des ultrasons permet d'augmenter l'efficacité du rinçage en éliminant la totalité des résidus ou particules issu(e)s du décapage chimique réalisé sur la première surface. Les propriétés d'adhérence du primaire d'adhérence sur la surface du substrat sont améliorées. [0010] Le procédé comprend également l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison : - le dégraissage est réalisé avec un bain alcalin. 3 - le premier substrat est agité ou mis en mouvement dans le bain de rinçage. - le bain de rinçage est contenu dans un bac comprenant des éléments de mise en mouvement du premier substrat. dans le bain de rinçage. - le bac est équipé d'au moins une sonotrode destinée à générer les ultrasons. - la fréquence des ultrasons est comprise entre 20 et 50 KHz. - la puissance des ultrasons est comprise entre 5 et 15 Watts/L. - le procédé comprend une étape d'activation du primaire d'adhérence disposé sur la première surface par plasma. - le plasma est un plasma atmosphérique appliqué par une buse de projection qui est disposée à une distance prédéterminée de la surface du primaire d'adhérence et pendant une durée comprise entre lOs et 60s sur chaque zone de la surface du primaire d'adhérence. - le revêtement est. un revêtement fonctionnel tel qu'anti-érosion, anti-usure ou antiimpact. - le revêtement est un adhésif. - la pièce est une aube de turbomachine. [0011] L'invention concerne également une pièce, en particulier de turbomachine, comprenant un premier substrat avec une première surface ayant subi une préparation de surface telle que susmentionnée et un primaire d'adhérence appliqué sur la première surface du premier substrat. [0012] Suivant une caractéristique de cette pièce, cette dernière comprend un revêtement appliqué sur le primaire d'adhérence. Le primaire d'adhérence est traité par plasma atmosphérique avant l'application du revêtement. [0013] Suivant un mode de réalisation, la pièce comprend un deuxième substrat avec une première surface ayant subi une préparation de surface telle que susmentionnée, un primaire d'adhérence étant appliqué sur la première surface du deuxième substrat, le premier substrat et le deuxième substrat étant assemblés avec le revêtement qui est un adhésif. [0014] Suivant un autre mode de réalisation, le revêtement est un revêtement fonctionnel tel qu'un revêtement anti-érosion, anti-usure ou anti-impact. [0015] L'invention concerne également une turbomachine comprenant une pièce présentant l'une quelconque des caractéristiques précédentes. Brève description des figures [0016] L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description explicative détaillée qui va suivre, de modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples purement illustratifs et non limitatifs, en référence aux dessins sché- matiques annexés dans lesquels : [0017] [fig.1] La figure 1 est une vue schématique partielle et en coupe d'une pièce de tur- bomachine assemblée par collage avec deux substrats selon l'invention ; [0018] [fig.2] La figure 2 est une vue schématique et en coupe partielle d'une pièce de tur- bomachine ayant un revêtement fonctionnel selon l'invention ; [0019] Vig.31 La figure 3 est une vue schématique et en coupe d'un bac contenant un bain de rinçage dans lequel est immergé au moins un substrat destiné à composer une pièce ou partie de pièce selon l'invention; [0020] [fig.4a] La figure 4a représente l'état de surface d'un premier substrat d'une pièce de turbomachine après différentes étapes d'un procédé de préparation de surface de l'art antérieur; [0021] [fig.4b] La figure 4b représente l'état de surface d'un premier substrat d'une pièce de turbomachine après différentes étapes d'un procédé de préparation de surface selon l'invention [0022] Vig.51 La figure 5 est une vue schématique et en coupe d'un dispositif de génération de plasma sur une surface d'un substrat destiné à composer une pièce ou une partie de pièce selon l'invention; et [0023] [fig.6a] La figure 6a est le résultat d'un test pour vérifier la présence éventuelle de résidus à la surface d'un substrat après une étape de rinçage de la pièce de turbomachine selon le procédé de l'art antérieur. [0024] [fig.6b] La figure 6b est le résultat d'un test pour vérifier la présence éventuelle de résidus à la surface d'un substrat après une étape de rinçage de la pièce de turbomachine selon le procédé de l'invention. Description détaillée de l'invention [0025] La figure 1 montre une pièce 1 suivant une vue en coupe et qui est formée par un as- semblage d'un premier substrat 2 et d'un deuxième substrat 3. [0026] Cette pièce 1 est une pièce de turbomachine telle qu'une aube de turbomachine (aube de soufflante, de turbine, ou de compresseur) avec un corps de pale et un bord d'attaque assemblé surie corps de pale. Le corps de pale forme le premier substrat et le bord d'attaque le deuxième substrat. Bien entendu, cette pièce n'est pas limitée à une pièce de turbomachine. [0027] Le premier substrat 2 et le deuxième substrat 3 sont assemblés à l'aide d'un re- vêtement qui est ici un adhésif 4. La première surface 5 de chacun des premier et deuxième substrats comprend un primaire d'adhérence 6 qui favorise l'assemblage des substrats 2, 3 au moyen de l'adhésif 4. Les premières surfaces 5 sont en regard l'une de l'autre. En d'autres termes, l'adhésif 4 est disposé entre les couches de primaire d'adhérence 6. [0028] Le premier substrat 2 et le deuxième substrat 3 sont réalisés dans un matériau identique tel qu'un matériau métallique, un alliage métallique ou un matériau composite. De manière alternative les matériaux constituant le premier substrat et le deuxième substrat sont différents. Dans ce cas, le premier substrat peut être en métal tel que le titane ou l'acier et le deuxième substrat peut être un composite. [0029] L'adhésif 4 est réalisé dans un matériau polymère de type résine cpoxy, résine phénolique ou résine polyester. L'adhésif présente une épaisseur de l'ordre de 50 pm à 400 !lm. [0030] Les couches de primaires d'adhérence 6 appliquées chacune sur une première surface 5 du premier et du deuxième substrat comprennent un polymère. Avantageusement, chaque primaire d'adhérence 6 comprend une résine ou une matrice organique à base d'époxy. La résine peut être une résine thermodurcissable à base d'époxy. De manière alternative, la résine peut être une résine phénolique de type résol ou novola. Chaque primaire d'adhérence présente une épaisseur comprise entre 1 pm et 5 pm. [0031] Sur la figure 2 est représenté un exemple de pièce l' de turbomachine comprenant un substrat 2' avec une première surface 5 portant une couche de primaire d'adhérence 6. Sur la couche de primaire d'adhérence 6 est appliquée un revêtement fonctionnel 7 destiné à protéger le substrat de l'érosion, de l'usure, des chocs, etc. Le substrat est réalisé à partir d'un matériau métallique ou un alliage métallique tel qu'un acier ou un titane. Le primaire d'adhérence 6 comme pour le mode de réalisation de la figure 1, comprend une résine organique phénolique ou à base d'époxy. Différemment du premier mode de réalisation de la figure 1, le primaire d'adhérence présente une épaisseur comprise entre 5 pm et 30 pm. [0032] Le revêtement fonctionnel 7 peut comprendre une peinture organique qui peut être à base de résine epoxy ou de polyuréthane. Son épaisseur est de l'ordre de 50 pm à 400 Mm. [0033] Chaque première surface 5 de substrat 2, 2', 3 est traitée par un procédé de pré- paration de surface de manière à la ou les préparer à recevoir les différentes couches de revêtement/revêtement fonctionnel et de primaire d'adhérence. [0034] Le procédé de préparation de surface comprend successivement les étapes suivantes : - fourniture a) d'un premier substrat 2, 2' comprenant la première surface 5, - dégraissage b) de la première surface 5 du premier substrat, - décapage c) de la première surface 5 au moyen (l'un bain chimique alcalin, - neutralisation d) du bain chimique sur la première surface, - rinçage e) du premier substrat 2, 2' par immersion dans un bain de rinçage, - application f) d'un primaire d'adhérence sur la première surface, - séchage g) de la première surface comprenant le primaire d'adhérence, et - application h) d'un revêtement sur le primaire d'adhérence. 6 [0035] L'étape de dégraissage est réalisée en utilisant un bain nettoyant ou dégraissant de préférence alcalin. Cela permet d'enlever les éventuelles impuretés sur la première surface 5 et de la préparer pour les étapes suivantes. Le bain nettoyant peut comprendre un agent nettoyant à base d'hydroxyde de sodium. Le bain nettoyant comprend une solution aqueuse et l'agent nettoyant à base d'hydroxyde de sodium a une concentration en poids comprise entre 5% et 35% par exemple. Avantageusement, le premier substrat est immergé dans le bain nettoyant entre 1 et 30 minutes (min). La température du bain est comprise entre 40°C et 70°C. Alternativement, la première surface peut être aspergée du bain nettoyant avec les mêmes conditions de durée et de température. [0036] L'étape de décapage c) suivant le dégraissage permet de décaper ou éroder la première surface. Ce décapage est de préférence un décapage chimique et utilise pour cela un bain chimique alcalin. Cc dernier comprend, de manière avantageuse, mais non limitativement, un décapant à base d'hydroxyde de sodium. Le pourcentage en poids de cc décapant est compris entre 50 et 100% dans une solution aqueuse. Le premier substrat avec la première surface est immergé dans le bain chimique entre 5 et 20 min. La température de cc bain est comprise entre 50°C et 90°C. A l'issue de cc décapage, nous obtenons une modification de la première surface 5 qui présente des rugosités 10 comme cela est visible sur les figures 4a) et 4b. [0037] L'étape de neutralisation d) est réalisée à partir d'un bain acide dans lequel le premier substrat est immergé. La neutralisation permet d'arrêter l'action du bain chimique érodant la première surface. Ce bain acide comprend une solution aqueuse à base d'acide nitrique dont la concentration est comprise entre 3 et 15%. La neutralisation est réalisée entre 1 et 10 min. La température de ce bain acide est comprise entre 10°C et 40°C. A l'issue de cette neutralisation des résidus ou particules 11 issu(e)s de la première surface décapée restent accrochées aux rugosités 10 comme nous pouvons le voir sur les figures 4a et 4b. [0038] L'étape de rinçage e) permet d'enlever le reste du bain acide et les résidus ou particules 11 accroché(e)s aux rugosités 10. Le rinçage est réalisé clans un bac 12 contenant un bain 13 à base d'eau distillée. Le premier substrat 2, 2' est immergé dans le bain entre 1 et 120 min. La température du bain est comprise entre 15°C et 35°C. Lors de cette étape des ultrasons parcourent le bain de rinçage afin d'enlever toutes les particules encore présentes. Le pH du bain de rinçage est compris entre 2 et 7. [0039] Pour cela, en référence à la figure 3, le bac 12 comprend un fond 14 depuis lequel s'élève une paroi périphérique 15. Le bac 12 comprend au moins une sonotrode 16 qui est agencée dans le bac 12 de manière à générer des ultrasons dans le bain. En particulier, dans le présent exemple, plusieurs sonotrodes présentent chacune une surface active 17 qui est en contact avec le bain de rinçage. Une surface de support 18 7 (opposée à la surface active 17) de chaque sonotrodc est en contact avec une surface interne 19 de la paroi périphérique 15. De la sorte, la totalité de la première surface 5 est couverte par les ultrasons. Dans le cas d'une pièce de forme complexe, toute sa surface à traiter est couverte. [0040] De manière alternative, au moins une surface active 17 des sonotrodcs présente une inclinaison par rapport à la surface externe de la paroi périphérique du bac. [0041] Chaque sonotrodc 16 est reliée à une source d'énergie 22 telle qu'un générateur qui délivre une puissance comprise entre 100 et 1000 Watts. Chaque sonotrode 16 génère des ultrasons à une fréquence qui est comprise entre 20 et 50 kilohertz (kHz). De préférence, la fréquence des ultrasons est de l'ordre de 37 kHz. La puissance des ultrasons est comprise entre 5 et 15 Watts/L. [0042] Les ultrasons sont émis de façon continu ou par impulsions. [0043] Suite à cette étape et en référence à la figure 4b la totalité des résidus a été enlevée de la première surface 5 du premier substrat 2,2'. [0044] Après immersion d'un substrat immergé pendant 10 minutes avec des ultrasons à une fréquence à 37 kHz, nous avons appliqué un ruban adhésif 20 sur la première surface 5 du premier substrat 2, 2' rincé et constaté que la surface du ruban ne contenait aucun résidu issu du décapage chimique (cf. figure 6b). Ce test avait été réalisé dans le cadre du procédé de préparation de surface de l'art antérieur dans lequel le substrat a été rincé dans un bain classique, un ruban adhésif 20 appliqué sur la première surface de celle-ci était recouvert de résidus 11 noirs (cf. figure 6a). Les résidus étaient donc encore accrochés sur les rugosités 10 de la première surface après le bain classique (sans ultrasons) comme représenté sur la figure 4a. [0045] Afin d'optimiser le rinçage du premier substrat 2, 2' ce dernier est agité ou mis en mouvement dans le bain de rinçage 13. Pour cela, le bac 12 est équipé d'un support 21 qui est monté mobile dans le bac 12 de manière à déplacer le premier substrat. Le support 21 est piloté par un système électronique de commande 23. Ce système électronique de commande 23 peut être relié au générateur 22 d'ondes ultrasonores. De manière alternative, le premier substrat est accroché à un bras qui l'immerge dans le bain et qui permet d'agiter le premier substrat dans le bain. En mettant le premier substrat en mouvement, le temps d'immersion peut être divisé d'au moins par deux. [0046] Une fois que le premier substrat est rincé, séché et exempte de résidus, le primaire d'adhérence 6 est appliqué (étape t) sur la première surface 5. Avantageusement, mais non limitativement, le primaire d'adhérence 6 est appliqué par pulvérisation. [0047] Ensuite, le primaire d'adhérence 6 et le substrat sont séchés (étape g). Pour réaliser un séchage du primaire d'adhérence sur la première surface, le premier substrat subit avantageusement un traitement thermique de stabilisation. Le substrat avec son primaire d'adhérence sont installés dans une étuve ou four où la température atteint 8 une valeur de l'ordre de 90°C à 130°C et pendant 30 minutes environ. Cela permet de pré-polymériser la résine constitutive du primaire et donc lui donner ses propriétés physiques. [0048] Une étape d'activation (i) du primaire d'adhérence (qui est séché) est prévue de manière à activer ou optimiser les propriétés d'adhérence du primaire d'adhérence. Cette étape d'activation est réalisée par plasma et avantageusement dans le présent exemple par plasma atmosphérique. Cc dernier comporte des gaz comprenant au moins l'un des éléments oxygène, azote, argon. [0049] En référence à la figure 5, le traitement par plasma atmosphérique est réalisé à l'aide d'une buse de projection 25 qui est reliée à une source de gaz. La tension du générateur peut varier entre 100 et 400V. La buse de projection 25 est située à une distance dl du primaire d'adhérence 6 entre 5 et 20 millimètres (mm) et le plasma généré est appliqué à la surface du primaire d'adhérence par un balayage suivant trois axes X,Y,Z (perpendiculaires entre eux). Avantageusement, le temps de traitement par plasma est compris entre 10 et 60 secondes (s) par zone traitée de la surface du primaire d'adhérence. Cette étape se déroule avantageusement à l'air libre et à température ambiante. [0050] A l'issue de cette étape, la surface externe du primaire d'adhérence 6 a subi une « modification » comme cela est représenté sur la figure 4b. [0051] La même préparation de surface est appliquée sur le deuxième substrat 3 de manière à permettre l'assemblage avec le premier substrat 2 via l'adhésif 4 qui est disposé sur le primaire d'adhérence 6 (étape h). [0052] Alternativement, c'est un revêtement fonctionnel 7 qui est appliqué sur le primaire d'adhérence 6 pour obtenir la pièce l' revêtue et protégée. [0053] Lorsque le primaire d'adhérence 6 est déjà appliqué sur la première surface après un certain temps (le substrat 2, 2', 3 est stocké en attendant une application de revêtement 4, 7 ultérieur) et que par exemple sa durée de vie est atteinte (typiquement six mois), une étape d'activation 0 telle que décrite ci-dessus est réalisée de manière à nettoyer la surface et augmenter les propriétés physico-chimiques de la surface du primaire d'adhérence. Cela permet en particulier de réactiver les propriétés d'adhérence du primaire et éviter de mettre au rebus le premier substrat comme c'est le cas dans l'art antérieur. 9 [Revendication I] REVENDICATIONSProcédé de préparation de surface d'une pièce, en particulier de turbomachine, comprenant les étapes suivantes et successives de : - fourniture a) d'un premier substrat (2, 2', 3) comprenant une première surface (5), - dégraissage b) de la première surface (5), - décapage c) de la première surface (5) au moyen d'un bain chimique alcalin, - neutralisation d) du bain chimique sur la première surface (5), - rinçage c) du premier substrat par immersion dans un bain de rinçage (13), application f) d'un primaire d'adhérence (6) sur la première surface (5), et séchage g) de la première surface comprenant le primaire d'adhérence (6), caractérisé en ce que l'étape de rinçage c) est réalisée avec des ultrasons qui parcourent le bain de rinçage (13). [Revendication 2] Procédé selon la revendication précédente, caractérisée en cc que le premier substrat (2, 2', 3) est agité ou mis en mouvement dans le bain de rinçage (13). [Revendication 3] Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en cc que le bain de rinçage (13) est contenu dans un bac (12) comprenant des éléments (21) de mise en mouvement du premier substrat (2, 2', 3) dans le bain de rinçage (13). [Revendication 4] Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en cc que le bac (12) est équipé d'au moins une sonotrode (16) destinée à générer les ultrasons. [Revendication 5] Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, ca- ractérisé en ce que la fréquence des ultrasons est comprise entre 20 et 50 kHz. [Revendication 6] Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, ca- ractérisé en ce que la puissance des ultrasons est comprise entre 5 et 15 Watts/L. [Revendication?] Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, ca- ractérisé en ce qu'il comprend une étape d'activation du primaire 10 [Revendication 8] [Revendication 9] [Revendication 10] [Revendication 11] [Revendication 12] [Revendication 13] [Revendication 14] d'adhérence (6) disposée sur la première surface (5) par plasma. Procédé selon la revendications précédente, caractérisé en ce que le plasma est un plasma atmosphérique appliqué par une buse de projection (25) qui est disposée à une distance prédéterminée (dl) de la surface du primaire d'adhérence (6) et pendant une durée comprise entre 10 s et 60 s sur chaque zone de la surface du primaire d'adhérence. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une étape application (h) d'un revêtement sur le primaire d'adhérence (6) après l'étape de séchage. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en cc que le revêtement est un revêtement fonctionnel (7) tel qu'anti-corrosion, antiusure ou anti-impact ou encore est un adhésif. Pièce (1 1'), en particulier de turbomachine, comprenant un premier substrat (2, 2', 3) avec une première surface (5) ayant subi une préparation de surface selon l'une quelconque des revendications précédentes. Pièce (1, 1') selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'elle comprend un revêtement (4, 7) appliqué sur le primaire d'adhérence (6). Pièce (1, 1') selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'elle comprend un deuxième substrat (3) avec une première surface (5) ayant subi une préparation de surface selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, un primaire d'adhérence (6) étant appliqué sur la première surface (5) du deuxième substrat (3), le premier substrat (2) et le deuxième substrat (3) étant assemblés via le revêtement qui est un adhésif (4). Pièce (1, 1') selon la revendication 12, caractérisé en ce que le revêtement est un revêtement fonctionnel (7) tel qu'une revêtement antiérosion ou anti-impact.