Brevet FR3099187A1 — publié le 20210129

Description Titre de l'invention : Revêtement abradable Domaine technique [0001] Le présent exposé concerne un revêtement abradable pour turbomachine ainsi qu'un module de turbomachine et une turbomachine comprenant un tel revêtement abradable. [0002] Un tel revêtement abradable peut être utilisé dans tout type de turbomachine, et notamment des turboréacteurs civils ou militaires. En particulier, il est tout particulièrement utile dans les environnements soumis à de très hautes températures. Technique antérieure [0003] Dans de nombreuses machines tournantes, il est désormais connu de munir l'anneau du stator de pistes abradables en regard du sommet des aubes du rotor. De telles pistes sont réalisées à l'aide de matériaux dit « abradables » qui, lorsqu'ils entrent en contact avec les aubes tournantes, s'usent plus facilement que ces dernières. On assure ainsi un jeu minimal entre le rotor et le stator, limitant les fuites d'air et améliorant donc les performances dc la machine tournante, sans risquer de détériorer les aubes en cas de frottement de ces dernières sur le stator. Au contraire, un tel frottement abrade la piste abradahle, ce qui permet d'ajuster automatiquement le diamètre de l'anneau du stator au plus proche du rotor. [0004] De telles pistes abradables peuvent également être prévues à l'interface entre le rotor et les aubes fixes du stator afin de réduire les fuites d'air également à ce niveau. [0005] Une manière classique de réaliser un tel matériau ahradable est d'inclure dans une matrice, métallique par exemple, des porosités qui vont réduire la ténacité du revêtement. De telles porosités peuvent par exemple être crée par incorporation puis pyrolyse dc charges polyester. Toutefois, ces porosités entraînent une rugosité de surface importante, cc qui augmentant le coefficient de frottement aérodynamique dans la couche limite et conduit donc à des pertes de rendement. [0006] Une autre possibilité est d'incorporer dans la matrice des charges inertes à faible tenue mécanique. Toutefois, dans les configurations actuelles, les matériaux utilisés pour ces charges se dégradent à haute température, limitant à cc jour cette option aux gammes de températures inférieures à 450 °C environ. [0007] Enfin, un autre type de revêtement abradable connu prend la forme d'une structure métallique en nid d'abeille. Toutefois, si ce type de revêtement résiste mieux à haute température, il souffre d'une abradabilité qui conduit à de forts échauffements lors du contact ainsi qu'à une usure non souhaitée du rotor. [0008] Il existe donc un réel besoin pour un revêtement abradable pour turbomachine, ainsi qu'un module de turbomachine et une turbomachine comprenant un tel revêtement 2 abradable, dépourvus, au moins en partie, des inconvénients inhérents aux configurations connues précitées. Exposé de l'invention [0009] Le présent exposé concerne un revêtement abradable pour turbomachine, comprenant, avec une teneur supérieure à 50% en volume, un composé minéral dont la dureté Mohs est inférieure à 6 et dont la température de fusion est supérieure à 900°C °C, de préférence supérieure à 1 000 °C. [0010] Dans le présent exposé, on entend par « composé minéral » un composé solide ayant une structure atomique ordonnée et une composition chimique définie. En particulier, un tel composé minéral peut posséder une structure cristalline caractérisée par l'agencement de ses atomes selon une périodicité et une symétrie données (système cristallin et groupe d'espace du composé minéral). [0011] Dans le présent exposé, sauf précision contraire, les ternies « inférieur » et « supérieur » doivent être compris au sens large, c'est-à-dire comme signifiant « inférieur ou égal » et « supérieur ou égal », respectivement. [0012] Un tel composé minéral offre une très bonne abradabilité tout en bénéficiant d'une rugosité de surface plus faible que les revêtements abradables habituels. Ainsi, en particulier, il est possible d'obtenir une rugosité Ra inférieure à 3 pin. Dès lors, ce revêtement engendre des pertes aérodynamiques beaucoup plus faibles que les revêtements habituels. [0013] De plus, un tel composé minéral présente un caractère abradablc intrinsèque de telle sorte qu'il est inutile d'incorporer artificiellement des porosités au sein du revêtement. Dès lors, la rugosité de surface du revêtement reste sensiblement la même, y compris après qu'il a été gratté lors du fonctionnement de la turbomachine. En conséquence, la rugosité du revêtement, et donc les pertes aérodynamiques, restent maitrisécs durant toute la durée de vie du revêtement. [0014] Ce revêtement abradable bénéficie en outre d'une stabilité à très haute température, ce qui le rend adapté pour les modules de la turbomachine exposées aux plus hautes températures, et notamment le compresseur haute pression ou encore les turbines. [0015] Par ailleurs, les débris d'abrasion sont inertes, ce qui réduit leur impact sur l'aval de la turbomachine. Un tel revêtement réduit le risque de colmatage des canaux de refroidissement du module. [0016] On précisera enfin qu'un tel revêtement abradable est moins coûteux à produire que les revêtements abradables habituels tout en offrant des possibilités d'usinage aussi larges. [0017] Dans certains modes de réalisation, le revêtement abradable possède une porosité in- férieure à 15%. On entend par « porosité » le rapport entre le volume des vides présent 3 dans le matériau et le volume total du matériau. Grâce à une telle porosité réduite, la rugosité du revêtement est réduite, même en l'absence de traitement de surface, ce qui limite les pertes aérodynamiques. [0018] Dans certains modes de réalisation, la rugosité Ra de surface est inférieure à 3 Fun. Les inventeurs ont en effet constaté que les pertes aérodynamiques restaient raisonnables en dessous de ce seuil et augmentaient ensuite plus fortement au-delà de ce seuil. [0019] Dans certains modes de réalisation, le composé minéral est stable au moins jusqu'à 900°C et de préférence jusqu'à 1000°C. Par « stable », on entend que le composé ne subit pas de changement d'état physique (fusion ou transformation de phase par exemple) ou de transformation chimique (oxydation par exemple) lorsqu'il est porté à la température considérée depuis la température ambiante. [0020] Dans certains modes de réalisation, le composé minéral comprend un élément alcalino-terreux, de préférence du Calcium. [0021] Dans certains modes de réalisation, le composé minéral est choisi parmi : CaF2 ; Calo (PO4)6(OH)2 ; LaPO4 ; et kieselghur. Ces composés sont stables au moins jusqu'à 900 °C et possèdent une dureté adaptée pour fournir un caractère abradable satisfaisant tout en présentant une faible rugosité. [0022] Dans certains modes de réalisation, le composé minéral constitue au moins 95% en volume, de préférence au moins 99% en volume, du matériau du revêtement abradable. Bien sûr, on n'entend pas prendre en compte ici la porosité du matériau dans la définition de la composition du matériau. Les inventeurs ont en effet constaté au cours de leurs expérimentations qu'un tel composé minéral apportait à lui seul les propriétés attendues pour un abradable de turbomachine, sans qu'il soit forcément nécessaire de lui adjoindre un autre composé. [0023] Toutefois, dans d'autres modes de réalisation, le revêtement abradable comprend en outre un composé métallique. Ce composé métallique forme une matrice pour le composé minéral. Ceci permet d'améliorer la résistance à l'érosion du revêtement. [0024] Dans certains modes de réalisation, ce composé métallique est choisi en fonction de la température d'application. [0025] Dans certains modes de réalisation, le composé métallique est à base Nickel, Cobalt ou Fer. [0026] Dans certains modes de réalisation, le composé métallique est choisi parmi : NiAl ; NiCrA1 ; CoNiCrA1Y ; et FeCrA1Y. [0027] Dans certains modes de réalisation, le composé minéral et le composé métallique constituent ensemble au moins 95% en volume, de préférence au moins 99% en volume, du matériau du revêtement abradable. [0028] Le présent exposé concerne également un module de turbomachine, comprenant un rotor, muni d'une pluralité d'aubes mobiles, un stator, et au moins un revêtement abradable selon l'un quelconque des modes de réalisation précédents prévu à l'interface entre une portion du rotor et une portion du stator. [0029] Dans certains modes de réalisation, au moins un revêtement abradablc de ce type forme une piste abradablc prévue sur une virole de stator, en vis-à-vis des aubes mobiles du rotor. [0030] Dans certains modes de réalisation, le stator est muni d'une pluralité d'aubes fixes. [0031] Dans certains modes de réalisation, au moins un revêtement abradablc de cc type forme une piste abradablc prévue à l'extrémité interne des aubes fixes du stator, en vis-à-vis de léchettes portées par le rotor. [0032] Dans certains modes de réalisation, le module est un compresseur haute-pression ou une turbine basse-pression pour turbomachine. [0033] Le présent exposé concerne également une turbomachine, comprenant un module selon l'un quelconque des modes de réalisation précédents. [0034] Les caractéristiques et avantages précités, ainsi que d'autres, apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, d'exemples de réalisation du revêtement abradablc et du module proposés. Cette description détaillée fait référence aux dessins annexés. Brève description des dessins [0035] Les dessins annexés sont schématiques et visent avant tout à illustrer les principes de l'exposé. [0036] Sur ces dessins, d'une figure à l'autre, des éléments (ou parties d'élément) identiques sont repérés par les mêmes signes de référence. [0037] [fig.1] La figure 1 est une vue en coupe axiale d'une turbomachine selon l'exposé. [0038] [fig.2] La figure 2 est une vue en coupe d'un module selon l'exposé. [0039] [fig.3] La figure 3 est une photographie illustrant la microstructure d'un premier exemple de revêtement selon l'exposé. [0040] [fig.4] La figure 4 est une photographie illustrant la microstructure d'un deuxième exemple de revêtement selon l'exposé. [0041] W8.51 La figure 5 est un graphe illustrant les pertes aérodynamiques au soin d'un module en fonction de la rugosité du revêtement abradable. [0042] [fig.6] La figure 6 illustre schématiquement un test d'abradabilité. Description des modes de réalisation 100431 Afin de rendre plus concret l'exposé, des exemples de revêtements abradables sont décrits en détail ci-après, en référence aux dessins annexés. Il est rappelé que l'invention ne se limite pas à ces exemples. 100441 La Figure 1 représente, en coupe selon un plan vertical passant par son axe principal A, un turboréacteur à double flux 1, constituant un exemple de turhomachinc selon l'exposé. Il comporte, d'amont en aval selon la circulation du flux d'air, une soufflante 2, un compresseur basse pression 3, un compresseur haute pression 4, une chambre de combustion 5, une turbine haute pression 6, et une turbine basse pression 7. [0045] La Figure 2 représente, de manière schématique, un étage du compresseur haute pression 4, le compresseur haute pression 4 comprenant une succession d'étages de cc type. [0046] Le rotor 10 de chaque étage comprend une pluralité d'aubes mobiles 11, montées sur un disque 12 accouplé à l'arbre haute pression de la turhomachinc 1. En outre, une virole 13 relie le disque 12 au disque 12' de l'étage précédent. Le stator 20 de chaque étage comprend pour sa part une virole 21, prévue en vis-à-vis des aubes mobiles 11, et une pluralité d'aubes fixes 22 prévues en vis-à-vis de la virole 13 du rotor 10. [0047] La virole 21 du stator porte des pistes abradables 31 contre lesquelles vient frotter les extrémités externes des aubes mobiles 11. Par ailleurs, une autre piste abradable 32 est prévue sur l'extrémité interne de chaque aube fixe 22 ; des léchettes 15 prévues sur la virole 13 du rotor viennent alors frotter contre cette piste abradablc 32. [0048] Des exemples de revêtements abradables, permettant de former ces pistes abradables 31 et 32, vont maintenant être décrits. [0049] Dans un premier exemple, le revêtement abradablc est réalisé en hydroxyapatitc, composé minéral de formule Ca,0(PO4)6(OH)2. A l'exception d'impuretés éventuelles, ce revêtement abradable ne comprend aucun autre constituant. [0050] Ce composé minéral possède un système cristallin hexagonal et un groupe d'espace 6/m. Il est stable jusqu'à 900°C au moins et possède une dureté de 5 sur l'échelle de Mohs. De plus, il est insoluble dans l'eau, l'acétone et l'alcool. [0051] Il est déposé par projection thermique sur le substrat à revêtir, en l'espèce la virole 21 et l'anneau 32, à partir d'un poudre ayant une granulométrie comprise entre 45 et 90 pm. Dans le présent exemple, une épaisseur de 1,5 mm est souhaitée pour le revêtement. [0052] Après usinage de surface, on obtient un revêtement dont la microstructure est visible sur la figure 3 : sa porosité est inférieure à 15% et sa rugosité Ra inférieure à 3 pm. [0053] A cet égard, la figure 5 représente les pertes aérodynamiques subies par la veine d'air circulant dans un compresseur haute pression équipé de pistes abradables, en fonction de la rugosité du revêtement formant ces pistes abradables. Cette courbe 50 a été tracée en comparant plusieurs matériaux sur banc d'essai. Les points 51 et 52 correspondent aux cas de deux revêtements abradables actuellement privilégiés pour un compresseur haute pression : il s'agit d'un revêtement Metco 2043 brut pour le point 51 et d'un revêtement Metco 2043 avec barbotine d'Alumine pour le point 52. [0054] Le point 53 correspond pour sa part au cas de ce revêtement réalisé en hy- 6 droxyapatite : on constate donc que cc revêtement bénéficie d'une rugosité environ trois fois inférieure à celles des revêtements Mctco 2043 connus et cause dès lors pratiquement deux fois moins de pertes aérodynamiques que ces revêtements de l'état de la technique. [0055] Par ailleurs, les performances de ce revêtement abradable ont été évaluées à l'aide du rapport A/S (ahradahilité sur surpénétration) qui est mesuré à l'aide d'un dispositif de mesure 90 illustré sur la figure 6 : trois aubes simulacres 91 sont disposées en saillie sur le périmètre d'une roue tournante 92. Un échantillon abradahle 93 à tester est placé en dessous de la roue tournante 92. La roue tournante 92 avance à vitesse constante vers l'échantillon abradahle 93 et le pénètre jusqu'à une profondeur consigne. On mesure ensuite la profondeur effectivement creusée dans l'ahradahle et on calcule le rapport profondeur consigne/profondeur creusée. Ce rapport est appelé rapport A/S et s'exprime en pourcentage. Les paramètres de test sont les suivants. La vitesse de rotation au bout des aubes simulacre 91 est de 210 m/s, la vitesse d'avance de la roue 92 tournante vers l'échantillon 93 est de 150 !tm/s et la profondeur de consigne est de 0,5mm. [0056] Dès lors, cc revêtement en hydroxyapatite a montré au cours de ces tests un rapport A/S compris entre 110% et 120 %, sans que les aubes ne subissent d'usure. [0057] De plus, un test d'érosion selon la norme ASTM G76 a été réalisé sur ce revêtement abradable. Une érosion de 1,7 mml/g pour un angle de 90° a alors été mesurée pour ce revêtement en hydroxyapatite. [0058] Dans un deuxième exemple, le revêtement abradable est un revêtement bi-matériaux comprenant un alliage Nickel-Aluminium, composé métallique de formule N'Al, et du fluorure de calcium, composé minéral de formule CaF2. La teneur moyenne volumique du composé métallique est comprise entre 0 et 50%. A l'exception d'impuretés éventuelles, ce revêtement abradable ne comprend aucun autre constituant. [0059] La température de fusion de l'alliage NiAl est de 1682 °C ; sa dureté Rockwell HRC de 12. Le composé minéral CaF2 possède un système cristallin cubique et un groupe d'espace Fm3m. Sa température de fusion est de 1 402°C et sa dureté de 4 sur l'échelle de Mohs. Au global, ce revêtement abradable est stable jusqu'à 1 000 °C. De plus, il est insoluble dans l'eau et l'acétone et peu soluble dans l'alcool. [0060] Il est déposé par projection thermique à double injection sur le substrat à revêtir, en l'espèce la virole 21 et l'anneau 32, à partir d'un poudre de NiAl ayant une granulométrie comprise entre 45 et 90 mn et d'une poudre de CaF2 ayant une granulométrie. Dans le présent exemple, une épaisseur de 1,5 mm est souhaitée pour le revêtement. [0061] Après usinage de surface, on obtient un revêtement dont la microstructure est visible sur la figure 4 : sa porosité est inférieure à 15% et sa rugosité Ra inférieure à 3 pm. Ainsi, le point 54 sur la figure 5 correspond au cas de ce revêtement réalisé NiAllCaR : 7 à nouveau, on constate que ce revêtement bénéficie d'une rugosité environ trois fois inférieure à celles des revêtements Metco 2043 connus et cause dès lors pratiquement deux fois moins de pertes aérodynamiques que ces revêtements de l'état de la technique. [0062] Par ailleurs, son abradahilité, mesurée selon le même test que pour le premier exemple, révèle un rapport AIS compris entre 90% et 107%, sans que les aubes ne subissent d'usure. [0063] De plus, son érosion, mesurée selon le même test que pour le premier test, est de 0,35 mm /g pour un angle de 90°. [0064] Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réa- lisation spécifiques, il est évident que des modifications et des changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés/mentionnés peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif [0065] Tl est également évident que toutes les caractéristiques décrites en référence à un procédé sont transposables, seules ou en combinaison, à un dispositif, et inversement, toutes les caractéristiques décrites en référence à un dispositif sont transposables, seules ou en combinaison, à un procédé. 8 REVENDICATIONS[Revendication I] Revêtement abradablc pour turbomachine, comprenant, avec une teneur supérieure à 50% en volume, un composé minéral dont la dureté Mohs est inférieure à 6 et dont la température de fusion est supérieure à 900°C, de préférence supérieure à 1 000 °C. [Revendication 2] Revêtement abradablc selon la revendication 1, dans lequel la porosité est inférieur à 15%. [Revendication 3] Revêtement abradablc selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la rugosité Ra de surface est inférieure à 3 pm. [Revendication 4] Revêtement abradable selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le composé minéral est choisi parmi : CaF2 Calo(PO4)6(OH)2 ; LaPO4 ; et kieselghur. [Revendication 5] Revêtement abradable selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le composé minéral constitue au moins 95% en volume, de préférence au moins 99% en volume, du matériau du revêtement abradable. [Revendication 6] Revêtement abradable selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant en outre un composé métallique. [Revendication 7] Revêtement abradable selon la revendication 6, dans lequel le composé métallique est à base Nickel, Cobalt ou Fer. [Revendication 8] Revêtement abradable selon la revendication 6 ou 7, dans lequel le composé métallique est choisi parmi : NiA1 ; NiCrAI ; CoNiCrAIY ; et FeCrAlY. [Revendication 9] Revêtement abradable selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, dans lequel le composé minéral et le composé métallique constituent ensemble au moins 95% en volume, de préférence au moins 99% en volume, du matériau du revêtement abradable. [Revendication 10] Module de turbomachine, comprenant un rotor (10), muni d'une pluralité d'aubes mobiles (11), un stator (20), et au moins un revêtement abradable (31, 32) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 prévu à l'interface entre une portion du rotor (10) et une portion du stator (20). [Revendication 11] Turbomachine, comprenant un module (4) selon la revendication 10.