Brevet FR3113261A1 — publié le 20220211

Procédé de préparation de surface compatible avec le revêtement γ/γ’ et le procédé de dépôt SPS . L’invention concerne un de revêtement d’un substrat par une barrière thermique comprenant au moins les étapes suivantes : - une étape de création d’une première rugosité à la surface du substrat par au moins une attaque chimique ou électrochimique, la première rugosité étant caractérisée par une valeur de rugosité maximale Rz1 et une moyenne arithmétique de rugosité le long du profil Ra1 ; - une étape de dépôt d’une sous-couche ; - une étape de création d’une deuxième rugosité à la surface de la sous-couche par au moins un sablage ou une attaque électrochimique, la deuxième rugosité étant caractérisée par une valeur de rugosité maximale Rz2 et une moyenne arithmétique de rugosité le long du profil Ra2, les valeurs Rz2 et Ra2 étant inférieures aux valeurs de rugosité Rz1 et Ra1 ; - une étape de dépôt d’une barrière thermique par SPS. Figure pour l’abrégé : Fig. 2 Procédé de préparation de surface compatible avec le revêtement γ/γ’ et le procédé de dépôt SPS. L’invention concerne une pièce de turbine, telle qu’une aube de turbine ou une ailette de distributeur par exemple, utilisée dans l’aéronautique. La disposition d’une barrière thermique à la surface d’un substrat ou d’une sous-couche permet de les protéger lors d’une utilisation à haute température. Les barrières thermiques sont généralement déposées sur un premier revêtement du substrat, appelé sous-couche, qui peut avoir deux rôles : protéger le substrat contre l’oxydation et favoriser l’accroche de la barrière thermique. Une telle sous-couche est généralement choisie pour former une couche d’alumine à sa surface, la couche d’alumine remplissant très bien les deux rôles précités, en particulier lorsque l’alumine est sous sa forme α à gros grains. Dans le cas de dépôt de barrières thermiques par projection par suspension de plasma, il a été observé que la rugosité de la sous-couche joue un rôle important pour l’adhérence de la barrière thermique. Le procédé de dépôt de projection par suspension de plasma est abrégé dans le reste de la demande par l’abréviation « SPS » (pour l’acronyme en langue anglaise « Suspension plasma spraying »). Ainsi, il est généralement proposé de texturer la sous-couche avant le dépôt de la barrière thermique. Cette texturation, c’est-à-dire une étape qui cherche à obtenir une rugosité particulière à la surface de la sous-couche, est réalisée par sablage. Un tel sablage a pour but de décaper les oxydes instables et les impuretés, créer une rugosité à la sous-couche, et de favoriser la formation de l’alumine. Pour les substrats en superalliages base nickel ou base cobalt, il est actuellement proposé des sous-couches γ-Ni/γ’-Ni3Al qui permettent de former une couche d’alumine à leur surface. Toutefois, il est observé qu’un sablage tel que pratiqué habituellement décape une partie importante de la sous couche. Ainsi, non seulement le sablage diminue l’épaisseur de la sous-couche ce qui diminue sa tenue à la corrosion et à l’oxydation, mais en plus, la diminution d’épaisseur de la sous-couche, n’est pas uniforme sur l’ensemble de la surface de la pièce, en particulier lorsque la pièce a une géométrie complexe. Ces deux inconvénients rendent donc incompatibles le dépôt d’une barrière thermique par SPS et le procédé de préparation des sous-couches de l’art antérieur. Il est donc nécessaire de disposer d’un procédé dénué des désavantages précités pour permettre de recouvrir des substrats en superalliages. L’invention vise précisément à répondre à ce problème. Ainsi, selon un premier de ses aspects, l’invention concerne un procédé de revêtement d’un substrat par une barrière thermique comprenant au moins les étapes suivantes : - une étape de création d’une première rugosité à la surface du substrat par au moins une attaque chimique et/ou électrochimique, la première rugosité étant caractérisée par une valeur de rugosité maximale R z 1 et une moyenne arithmétique de rugosité le long du profil R a 1; - une étape de dépôt d’une sous-couche ; - une étape de création d’une deuxième rugosité à la surface de la sous-couche par au moins un sablage ou une attaque électrochimique, la deuxième rugosité étant caractérisée par une valeur de rugosité maximale R z 2 et une moyenne arithmétique de rugosité le long du profil R a 2, les valeurs R z 2 et R a 2 étant inférieures aux valeurs de rugosité R z 1 et R a 1 ; - une étape de dépôt d’une barrière thermique par SPS. Les inventeurs ont constatés qu’une première rugosité élevée permet d’obtenir une très bonne durée de vie de la barrière thermique. Dans un mode de réalisation, la première rugosité est caractérisée par une valeur de rugosité maximale R z 1 comprise entre 13 et 16 µm et une moyenne arithmétique de rugosité le long du profil R a 1 comprise entre 2,5 et 3,0 µm. Par « rugosité » au sens de la demande et sauf mention explicite du contraire, il est entendu un couple de valeurs comprenant une valeur de rugosité maximale R z et une valeur de moyenne arithmétique de rugosité le long du profil R a . De plus, une rugosité sera dite « inférieure » à une autre, si les deux valeurs R z et R a de la première rugosité sont respectivement inférieures aux valeurs R z et R a de la seconde. Par exemple, la rugosité d’une surface peut être mesurée à l’aide d’un rugosimètre ou d’un microscope 3D. Les inventeurs ont constaté qu’un procédé selon l’invention permet une excellente adhérence de la barrière thermique à la sous-couche, une très bonne résistance de la sous-couche à la corrosion et à l’oxydation, et également l’obtention d’une sous-couche γ/γ’ uniforme et ce quelle que soit la géométrie du substrat. Ces avantages permettent de former une barrière thermique sur un substrat par SPS au contraire d’un procédé comprenant une étape de sablage conforme à ceux de l’art antérieur. Dans un mode de réalisation, l’étape de création d’une première rugosité peut comprendre une étape d’attaque chimique acide. Par exemple, le substrat peut être exposé à une solution acide, par exemple par immersion dans un bain de solution. Par exemple, la solution acide peut comprendre de l’acide fluonitrique, de l’acide nitrique, de l’acide chlorhydrique, du chlorure ferrique, de l’eau oxygénée ou un mélange des acides précités. De préférence, la solution est choisie parmi une solution d’acide fluonitrique, une solution d’acide chlorhydrique et de chlorure ferrique, une solution d’acide nitrique, d’acide chlorhydrique et de chlorure ferrique, une solution d’acide chlorhydrique et d’eau oxygénée ou une solution d’acide nitrique et d’acide chlorhydrique. Dans un mode de réalisation, la création de la première rugosité comprend uniquement une attaque chimique acide ou électrochimique. Dans un mode de réalisation de l’invention, l’étape de création de la première rugosité comprend une attaque acide et une attaque électrochimique. Par exemple, le substrat peut être exposé à une solution comprenant de l’acide acétique, de l’acide nitrique, de l’acide sulfurique, de l’acide phosphorique ou un mélange de ces acides. Dans un mode de réalisation, la ou les attaques chimiques peuvent être réalisées par exposition pendant 3 à 30 minutes à une solution d’acide chlorhydrique ayant une concentration entre 30 et 50 g/L, et de chlorure ferrique en une concentration de 400 à 500 g/L à une température comprise entre 50 et 70 °C. Dans un mode de réalisation, la ou les attaques électrochimiques peuvent être réalisées par exposition pendant 2 à 10 minutes sous un courant de 3 à 20 A, et dans une solution d’acide phosphorique à 70 % volumique, par exemple avec 300 à 800 mL d’acide phosphorique dans 200 à 700 mL d’eau. De préférence, la solution est choisie parmi, une solution d’acide nitrique et d’acide acétique, une solution d’acide sulfurique, ou une solution d’acide phosphorique. Dans un mode de réalisation, la création de la première rugosité comprend uniquement une étape d’attaque électrochimique. Dans un mode de réalisation, il est possible de créer la première rugosité par l’application conjointe ou successive d’une attaque chimique acide et d’une attaque électrochimique. Créer la première rugosité par exposition du substrat à une solution, que ce soit par une attaque chimique, électrochimique ou l’action conjointe des deux permet de créer une première rugosité homogène à la surface du substrat. En effet, quelle que soit la complexité de la géométrie du substrat, une telle étape permet d’assurer que l’intégralité de la surface du substrat soit exposée à des conditions équivalentes, permettant ainsi la création d’une rugosité homogène. Utiliser une attaque chimique suivie d’une attaque électrochimique permet de choisir précisément les conditions de chacune des attaques en fonction du substrat. Dans un mode de réalisation, la rugosité créée à la surface du substrat peut être contrôlée par macrographie avant le dépôt de la sous-couche. Cette étape permet de s’assurer que la texturation obtenue est suffisante pour garantir la bonne adhésion de la sous-couche au substrat. Dans un mode de réalisation, le substrat est choisi parmi des monocristaux de nickel, un superalliage base nickel ou base cobalt, par exemple choisi parmi les alliages à base nickel de dénominations commerciales R125, R77, INCO78, DS200, CMSX4 SLS, CMSX4 PLUS ou parmi les alliages à base cobalt tels que MARM509. Dans un mode de réalisation, après la création de la première rugosité, le dépôt de la sous-couche peut être réalisé par projection, par dépôt physique en phase vapeur ou par dépôt chimique en phase vapeur, ou encore par projection HVOF (pour l’acronyme en langue anglaise High Velocity Oxy Fuel) ou par dépôt électrolytique. De préférence, le dépôt de la sous-couche est réalisé par dépôt physique en phase vapeur. Le dépôt physique en phase vapeur permet d’assurer le dépôt d’une sous-couche qui épouse la rugosité du substrat. La sous-couche est de préférence choisie parmi une sous-couche composée de γ-Ni/γ’-Ni 3 Al, de NiAl, de NiAlPt, de CoCrAlY ou de NiCrAlY. Dans un mode de réalisation préféré, la sous-couche est composée de γ-Ni/γ’-Ni 3 Al. Dans un procédé de l’invention, après le dépôt de la sous-couche, une deuxième rugosité est créée à la surface de la sous-couche. La création de cette rugosité, inférieure à la première rugosité présente entre le substrat et la sous-couche, permet d’améliorer la tenue de la barrière thermique à la sous-couche, tout en préservant une épaisseur suffisante de la sous-couche, garantissant ainsi sa fonction de résistance à l’oxydation et à la corrosion. La création de la deuxième rugosité permet un décapage assez léger de la sous-couche, sur seulement quelques micromètres, et permet ainsi de conserver une bonne épaisseur de la sous-couche ce qui lui permet de conserver une excellente tenue à l’oxydation et à la corrosion. Dans un mode de réalisation, la deuxième rugosité est caractérisée par une valeur de rugosité maximale R z 2 comprise entre 2,5 et 3,5 µm. Dans un mode de réalisation, la création de la deuxième rugosité est réalisée par sablage. Dans un autre mode de réalisation, la création de la deuxième rugosité peut être réalisée par une étape d’attaque électrochimique. Par exemple, la création de la deuxième rugosité peut être créée par exposition du substrat revêtu de la sous couche à une solution comprenant de l’acide acétique, de l’acide nitrique, de l’acide sulfurique, de l’acide phosphorique ou un mélange de ces acides. De préférence, la solution est choisie parmi, une solution d’acide nitrique et d’acide acétique, une solution d’acide sulfurique, et une solution d’acide phosphorique. Une autre étape du procédé de l’invention est le dépôt de la couche de barrière thermique par SPS. Le dépôt de la barrière thermique par SPS permet d’obtenir une barrière de faible conductivité thermique, et permet également de diminuer les coûts du dépôt comparativement à d’autres procédés de l’art antérieur. La est une micrographie obtenue par microscopie électronique à balayage d’un substrat recouvert d’une sous-couche conformément aux premières étapes d’un procédé selon l’invention. La est une micrographie obtenue par microscopie électronique à balayage d’un substrat recouvert d’une sous-couche et d’une barrière thermique selon un mode de réalisation d’un procédé de l’invention. La est une micrographie obtenue par microscopie électronique à balayage d’un substrat recouvert d’une sous-couche sans qu’une première rugosité n’ait été créée entre les deux. La est une micrographie obtenue par microscopie électronique à balayage d’un substrat recouvert d’une sous-couche et d’une barrière thermique selon un procédé de l’art antérieur. L’invention va, à présent, être décrite au moyen de figures ayant une vocation illustrative et ne devant pas être interprétées comme limitant l’invention. La est une micrographie obtenue par microscopie électronique à balayage d’un substrat 11 recouvert d’une sous-couche 12 après création d’une première rugosité conformément aux premières étapes d’un procédé de l’invention. Pour le substrat 11 représenté en , la création de la première rugosité a été réalisée en exposant le substrat 11 à 3 à 30 minutes à une solution d’acide chlorhydrique ayant une concentration entre 30 et 50 g/L, et de chlorure ferrique en une concentration de 400 à 500 g/L à une température comprise entre 50 et 70 °C. La rugosité ainsi créée peut être caractérisée par ses valeurs R z et R a respectivement comprises entre 13 et 16 µm et 2,5 et 3 µm pour l’exemple de réalisation figuré en . A la suite de la création de cette première rugosité, la sous-couche 12 est déposée par dépôt physique en phase vapeur. Les dépôts sont réalisés par dépôt physique en phase vapeur, de préférence par pulvérisation cathodique magnétron ou par évaporation. Les conditions de dépôt envisagées sont les suivantes : - un bombardement ionique à une tension variant de -200 V à 400 V pendant 10 à 30 minutes ; - un dépôt à une densité de puissance comprise entre 3 et 10 W/cm 2 ; - un chauffage pendant le dépôt compris entre 200 et 700 °C ; - un bias compris entre -150 V et -300V. - une très faible pression dans l’enceinte, comprise entre 0,1 et 2 Pa dans le cas d’une pulvérisation cathodique magnétron et entre 10 -4 et 10 -6 Pa dans le cas d’une évaporation. Il est observé que l’épaisseur de la sous-couche 12 est uniforme sur toute la surface du substrat 11. La est une micrographie obtenue par microscopie électronique à balayage du substrat 11 recouvert d’une sous-couche 12, illustré à la , sur laquelle a été créé une deuxième rugosité, puis déposé une barrière thermique, selon un mode de réalisation d’un procédé de l’invention. Il peut être observé sur la que l’épaisseur de la sous-couche 12 reste homogène sur toute la surface du substrat 11, même après le dépôt de la barrière thermique 13. La est une micrographie obtenue par microscopie électronique à balayage et représente un substrat 31 revêtu d’une sous-couche 32, sans qu’une première rugosité conforme à celle de l’invention n’ait été préparée entre le substrat 31 et la sous-couche 32. La sous-couche a été déposée par dépôt physique en phase vapeur avec les mêmes paramètres que ci-dessus. L’épaisseur de la sous-couche est homogène sur toute la surface du substrat. La est une micrographie obtenue par microscopie électronique à balayage et représente le substrat 31 revêtu de la sous-couche 32, illustré en sur lequel a été déposé une barrière thermique 33 avec un procédé de l’art antérieur, c’est-à-dire après un sablage réalisé pour créer une rugosité à la surface de la sous-couche 32 permettant l’accroche de la barrière thermique 33. Il peut être observé que le sablage de la sous-couche 32 créer des différences d’épaisseurs importantes dans l’épaisseur de la sous-couche 32 ce qui nuit aux propriétés de résistance à l’oxydation et à la corrosion de la sous-couche 32. Ainsi, les figures 1 à 4 illustrent qu’un procédé de l’invention permet effectivement d’obtenir une barrière thermique à la surface d’un substrat recouvert d’une sous-couche, en assurant une bonne cohésion de la barrière thermique à la sous-couche et en assurant que la sous-couche ait une épaisseur homogène sur l’ensemble du substrat, contrairement à un procédé où il n’est créé par sablage qu’une rugosité importante sur la sous-couche. Procédé de revêtement d’un substrat par une sous couche et une barrière thermique comprenant au moins les étapes suivantes : - une étape de création d’une première rugosité à la surface du substrat par au moins une attaque chimique ou/et électrochimique, la première rugosité étant caractérisée par une valeur de rugosité maximale R z 1 et une moyenne arithmétique de rugosité le long du profil R a 1 ; - une étape de dépôt d’une sous-couche ; - une étape de création d’une deuxième rugosité à la surface de la sous-couche par au moins un sablage ou une attaque électrochimique, la deuxième rugosité étant caractérisée par une valeur de rugosité maximale R z 2 et une moyenne arithmétique de rugosité le long du profil R a 2, les valeurs R z 2 et R a 2 étant inférieures aux valeurs de rugosité R z 1 et R a 1 ; - une étape de dépôt d’une barrière thermique par SPS. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’étape de création de la première rugosité comprend une attaque chimique acide. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l’étape de création de la première rugosité comprend une attaque électrochimique. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le substrat est choisi parmi les superalliages base nickel ou base cobalt. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le substrat présente après l’étape création de la première rugosité une rugosité moyenne R a de 2,5 à 3,0 µm et une rugosité maximale R z de 13 à 16 µm. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la sous-couche est composée de γ-Ni/γ’-Ni 3 Al, de NiAl, de NiAlPt, ou de MCrAlY où M est du Cobalt Co ou du nickel Ni. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la sous-couche est déposée par dépôt physique en phase vapeur.