Brevet FR3160981A1 — publié le 20251010

Pièce revêtue comprenant un revêtement abradable imprégné et procédé de fabrication d’une telle pièce Procédé de fabrication d’une pièce revêtue d’un revêtement abradable, comprenant la fourniture d’un substrat (10) ; le dépôt d’une couche particulaire (20), poreuse, sur le substrat (10), la couche particulaire (20) ayant une porosité ouverte ; l’imprégnation de la couche particulaire (20) par un liant inorganique ; le traitement de la couche particulaire imprégnée (21) pour durcir au moins une partie du liant inorganique au sein de la couche imprégnée et ainsi former une matrice inorganique, de façon à obtenir le revêtement abradable. Figure pour l’abrégé : Fig. 3. Pièce revêtue comprenant un revêtement abradable imprégné et procédé de fabrication d’une telle pièce Le présent exposé concerne un procédé de fabrication d'un revêtement abradable et d'un substrat revêtu par ce revêtement. Une telle couche abradable peut notamment être utilisée pour équiper un anneau de machine tournante afin d’assurer l’étanchéité de la machine au sommet des aubes tournantes par exemple. Un tel revêtement abradable est tout particulièrement adapté pour équiper les anneaux de turbine dans le domaine aéronautique, et tout particulièrement dans les turboréacteurs d’avion. Des joints abradables sont actuellement utilisés dans les turbomachines pour minimiser le jeu fonctionnel, et donc les fuites, entre les parties en rotation (par exemple des aubes de rotor) et les parties statiques (par exemple les secteurs d’anneaux). Dans les turbines haute-pression, les revêtements abradables sont déposés sur les secteurs d'anneaux, formant substrat, rapportés sur le carter. Lors d'un contact des aubes de turbines avec le revêtement abradable, ce dernier devrait s'user en priorité ce qui permettrait de maintenir les performances aérodynamiques du moteur. Afin de garantir une bonne étanchéité, d’autres types de revêtements peuvent être déposés sur des parties statiques. Ces revêtements, généralement métalliques, présentent des formes en nid d’abeille. Cependant, ces revêtements en nid d’abeille ne sont pas abradables. En effet, du fait de leur forme, leur tenue mécanique serait compromise s’ils étaient prévus dans des matériaux abradables. Selon des méthodes connues, des revêtements abradables sont déposés par projection thermique sur des pièces rotatives. Cependant, de telles méthodes connues présentent des limitations. En effet, le lien entre les paramètres de la projection thermique et les propriétés du revêtement abradable à obtenir n’est pas encore clairement établi. Par ailleurs, une faible variation des paramètres de projection peut entrainer une forte variation des propriétés du revêtement abradable. En conséquence, la fiabilité de la projection thermique n’est pas satisfaisante pour un contrôle fin des paramètres du revêtement abradable. Or, dans une optique d’amélioration des performances de la turbomachine, notamment par une augmentation de la température de fonctionnement, les jeux doivent être maitrisés d’une façon plus précise que la maitrise permise par les méthodes connues. En effet, selon ces nouvelles contraintes, les revêtements abradables connus sont soit insuffisamment abradables, soit insuffisamment fiables en termes de tenue mécanique. Il existe donc un besoin pour fournir des revêtements abradables adaptés aux évolutions des turbines de turbomachines, ainsi que des procédés de fabrication plus fiables, garantissant une bonne abradabilité et une bonne tenue mécanique des revêtements abradables formés. Le présent exposé concerne un procédé de fabrication d’une pièce revêtue d’un revêtement abradable, comprenant la fourniture d’un substrat; le dépôt d’une couche particulaire, poreuse, sur le substrat, la couche particulaire ayant une porosité ouverte ; l’imprégnation de la couche particulaire par un liant inorganique ; le traitement de la couche particulaire imprégnée pour consolider au moins une partie du liant inorganique au sein de la couche imprégnée et ainsi former une matrice inorganique, de façon à obtenir le revêtement abradable. Dans le présent exposé, l’imprégnation est définie comme la pénétration d’un liant dans la porosité ouverte d’une couche à imprégner. Par conséquent, la couche à imprégner est poreuse et le liant est apte à pénétrer cette porosité. Dans le présent exposé, la matrice inorganique correspond au liant inorganique qui a durci à la suite d’un traitement. La matrice inorganique occupe donc la place du liant dans la porosité de la couche particulaire ; cette porosité étant ouverte, la matrice inorganique forme un réseau qui maintient les particules de la couche particulaire. Un tel procédé permet d’obtenir un revêtement abradable qui présente à la fois une tenue en température suffisante pour des applications dans des turbines de turbomachine et une bonne tenue mécanique qui amoindrit l’effritement du revêtement abradable. En effet, la couche particulaire garantit une bonne abradabilité, tandis que le liant inorganique, se transformant en matrice inorganique, permet de renforcer la tenue mécanique de la couche particulaire conférant l’abradablitié, sans diminuer ladite abradabilité. De plus, il devient possible d’adapter la rigidité du revêtement abradable par modulation des propriétés du liant inorganique. Ainsi, l’opérateur dispose d’un levier supplémentaire pour optimiser les propriétés du revêtement abradable. Par ailleurs, l’utilisation d’un liant inorganique permet d’augmenter l’adhérence de la couche au substrat. En effet, une fois la matrice inorganique obtenue, cette dernière crée des liens mécaniques entre la couche particulaire et le substrat ce qui renforce l’adhésion, notamment l’adhérence cohésive. Par ailleurs, ce procédé s’adapte à de nombreuses méthodes de dépôt de la couche particulaire, ce qui permet d’augmenter la liberté de l’opérateur vis-à-vis de la conformation de la couche particulaire. Dans certains modes de réalisation, la couche particulaire comprend au moins l’un d’un métal et d’une céramique. De telles particules sont particulièrement adaptées pour des applications de revêtement abradables. De manière générale, les particules céramiques nécessitent une consolidation à très haute température afin de présenter des propriétés mécaniques satisfaisantes. Cependant, les substrats, typiquement métalliques, ne sont pas aptes à soutenir de telles températures. Par conséquent, il était auparavant difficile, voire impossible, de fabriquer des revêtements abradables comprenant des particules céramiques avec de bonnes propriétés mécaniques. Selon le procédé de la présente invention, à l’aide du liant inorganique, il devient possible de conférer de bonnes propriétés mécaniques à une couche particulaire céramique sans avoir besoin d’effectuer une consolidation à très haute température de ladite couche particulaire céramique, puisque la consolidation est apportée par le durcissement d’au moins une partie du liant inorganique en une matrice inorganique. En conséquence, selon le procédé de la présente invention, il est plus facile de former des abradables comprenant des particules céramiques et d’ainsi bénéficier des avantages intrinsèques aux céramiques (tenue en température, conductivité thermique, résilience, etc…). Dans certains modes de réalisation, le traitement de la couche particulaire imprégnée comprend une étape de désolvatation dans laquelle la pièce est séchée, optionnellement à température ambiante, une étape de préchauffage entre 50°C et 80°C pendant 30 minutes à 1 heure, et une étape de cuisson à une température supérieure à 340°C. Une telle étape de traitement permet de garantir de bonnes propriétés pour la matrice inorganique obtenue. En particulier, un tel traitement permet de minimiser les traces de solvant et/ou d’impuretés résiduelles. En effet, la succession de la désolvatation, du préchauffage et de la cuisson permet de s’assurer qu’aucune particule de solvant ne reste emprisonnée (typiquement adsorbée) dans la couche particulaire consolidée. Par ailleurs, ce traitement en plusieurs étapes permet de limiter au maximum l’endommagement du liant inorganique par une éventuelle évaporation de particules de solvant résiduelles. Par ailleurs le traitement permet de s’assurer que la couche particulaire consolidée par la matrice inorganique est uniformément cuite. En particulier, cela permet d’éviter une cuisson partielle et superficielle de la couche particulaire imprégnée du liant inorganique, au détriment de la cuisson au cœur de la couche particulaire. Dans certains modes de réalisation, le dépôt de la couche particulaire est effectué selon un motif tridimensionnel périodique. Dans cette configuration, la couche particulaire peut prendre des conformations particulièrement avantageuses pour augmenter la tenue en température ou pour augmenter l’abradabilité du revêtement abradable formé. Dans certains modes de réalisation, le motif tridimensionnel est un motif hexagonal de type nid d’abeille. Dans le présent exposé, une conformation en nid d’abeille correspond, à un ensemble périodique de cellules tubulaires à base hexagonale, formant pavage hexagonal. La conformation en nid d’abeille est une conformation particulièrement avantageuse pour les revêtements abradables. En effet, une telle conformation augmente l’abradabilité du revêtement abradable. Dans certains modes de réalisation, le procédé comprend, préalablement au dépôt de la couche particulaire, le dépôt d’une couche de liaison. Le dépôt d’une couche de liaison permet d’augmenter encore davantage l’adhérence entre la couche particulaire et le substrat. Dans certains modes de réalisation, le dépôt de la couche particulaire est effectué par électrophorèse et l’imprégnation de la couche particulaire est effectuée par une méthode de trempage/retrait. Dans le présent exposé, l’électrophorèse est définie comme la méthode connue en soit de dépôt d’une couche sur un substrat, dans lequel le substrat est plongé dans un milieu liquide contenant des éléments à déposer, et dans lequel un potentiel électrique est appliqué sur le substrat afin de déposer lesdits éléments. Dans le présent exposé, la méthode de trempage/retrait est définie comme la méthode connue en soit d’imprégnation d’un matériau poreux en répétant successivement un trempage du matériau poreux dans un bain de liant, puis en le retirant. L’utilisation de telles méthodes représentent un optimal en termes de coût et de temps. De plus, la conjugaison de ces méthodes augmente la fiabilité du procédé de fabrication. Dans certains modes de réalisation, la couche particulaire présente une épaisseur supérieure à 1 millimètre . Une telle épaisseur est avantageuse pour garantir une bonne étanchéité de la pièce revêtue obtenue malgré l’abrasion d’une partie du revêtement abradable. Par ailleurs, le procédé de fabrication proposé est compatible avec de telles épaisseurs de couche particulaire, malgré l’utilisation traditionnelle de méthodes d’imprégnation plutôt pour des couches relativement fines. Dans certains modes de réalisation, la couche particulaire inclut des particules métalliques comprenant du MCrAlY où M est un métal, du NiCrAl, du NiAl, du AlSi, ou du AlNi, et le liant inorganique comprend du phosphate d’aluminium. Dans certains modes de réalisation, la couche particulaire inclut des particules céramiques comprenant de l’alumine, de la silice, du SiC, de la mullite, de la zircone, ou de la zircone stabilisée et le liant inorganique comprend du phosphate d’aluminium, du silicate d’aluminium ou du nitrate d’aluminium. Plus généralement, le liant inorganique peut comprendre du phosphate, du silicate ou du nitrate, accompagnés de contre-ions appropriés pour une tenue en température du revêtement abradable jusqu’à au moins 800°C. Le présent exposé concerne par ailleurs une pièce revêtue pour turbomachine comprenant un substrat ; un revêtement abradable déposé sur le substrat, et présentant une couche particulaire consolidée comprenant une matrice inorganique. De telles pièces revêtues peuvent être utilisées dans une turbine de turbomachine aéronautique. Une telle pièce revêtue présente les avantages listés précédemment, à savoir l’augmentation de l’abradabilité et de la tenue mécanique du revêtement abradable, en comparaison aux pièces revêtues connues pour lesquelles les revêtements en nid d’abeille métalliques ne présentent qu’un très faible – voire ne présentent pas – de caractère abradable associé à une fonction d’étanchéité. Par ailleurs, la pièce revêtue définie ci-dessus peut être obtenue par le procédé de fabrication précédemment décrit. En particulier, le revêtement abradable d’une telle pièce revêtue présente une meilleure adhérence que les revêtements abradables des pièces revêtues connues, pour des applications similaires. Dans certains modes de réalisation, la pièce revêtue comprend une couche de liaison prévue entre le substrat métallique et le revêtement abradable. Dans certains modes de réalisation, la couche particulaire consolidée présente un motif tridimensionnel périodique. Les caractéristiques et avantages précités, ainsi que d'autres, apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, d'exemples de réalisation du dispositif et du procédé proposés. Cette description détaillée fait référence aux dessins annexés. Les dessins annexés sont schématiques et visent avant tout à illustrer les principes de l’exposé. Sur ces dessins, d’une figure à l’autre, des éléments (ou parties d’élément) identiques sont repérés par les mêmes signes de référence. FIG. 1 La FIG. 1 représente schématiquement le procédé selon un mode de réalisation de la présente invention. FIG. 2 La FIG. 2 représente un substrat recouvert d’une couche particulaire. FIG. 3 La FIG. 3 représente un substrat recouvert d’une couche particulaire imprégnée. FIG. 4 La FIG. 4 représente un substrat recouvert d’une couche de liaison, elle-même recouverte d’une couche particulaire imprégnée. FIG. 5 La FIG. 5 représente un substrat recouvert d’une couche particulaire présentant un motif tridimensionnel en forme de nid d’abeille. Afin de rendre plus concret l’exposé, des exemples de dispositif et procédés sont décrits en détail ci-après, en référence aux dessins annexés. Il est rappelé que l'invention ne se limite pas à ces exemples. La FIG. 1 représente schématiquement le procédé de fabrication selon un mode de réalisation de la présente invention. Le procédé de formation d’une pièce revêtue d’un revêtement abradable comprend la fourniture E1 d’un substrat 10, le dépôt optionnel d’une couche de liaison 30 sur le substrat 10, le dépôt E2 d’une couche particulaire 20 sur le substrat 10 ou le cas échéant sur la couche de liaison 30, l’imprégnation E3 de la couche particulaire 20 et le traitement E4 de la couche particulaire imprégnée 21. A titre d’exemple, le substrat peut être métallique, typiquement un alliage de nickel. Le dépôt E2 de la couche particulaire 20 sur le substrat 10 peut s’effectuer selon plusieurs méthodes connues en elles-mêmes, comme par exemple des méthodes de dépôt sol-gel, jet de liant (de l’anglais binder-jetting) ou électrophorèse. La couche particulaire peut comprendre des particules métalliques, des particules céramiques, des particules céramique-métal, ou une association de ces particules. Les particules métalliques peuvent être en MCrAlY, NiCrAl, NiAl, AlSi, AlNi ou des dérivés de ces familles d’alliage. Les particules céramiques peuvent être des particules d’alumine, de silice, de SiC, de mullite, de zircone ou de zircone stabilisée. Les particules céramique –métal peuvent être prévues en AlSi-BN ou AlNi-BN. La FIG. 2 représente un substrat 10 recouvert d’une couche particulaire 20, obtenu à la suite de l’étape de dépôt E2. Le dépôt E2 est fait de sorte que la couche particulaire présente une porosité ouverte. Plus particulièrement, la porosité ouverte de la couche particulaire présente un réseau en trois dimensions débouchant, de sorte à permettre l’imprégnation d’un matériau en son sein. Par ailleurs, la couche particulaire peut comprendre une porosité fermée résiduelle. La FIG. 3 représente le substrat 10 recouvert de la couche particulaire imprégnée 21. Pendant l’imprégnation E3, la couche particulaire 20 est imprégnée par un liant inorganique de sorte à former la couche particulaire imprégnée 21. L’imprégnation peut être opérée par trempage/retrait, sous pression ou par aspersion. Dans le cas où la couche particulaire comprend une porosité fermée, cette porosité fermée est inaccessible pour le liant inorganique. En d’autres termes, la porosité fermée de la couche particulaire n’est pas imprégnée. A titre d’exemple, le liant inorganique peut être du phosphate d’aluminium, du silicate d’aluminium ou du nitrate d’aluminium. D’autres liants inorganiques peuvent être envisagés, comme des phosphates, des silicates ou des nitrates accompagnés de contre-ions différents. Par ailleurs, des dérivés aluminates ou des nitrates de métaux de transition ou de métaux alcalins pourraient également convenir en tant que liant inorganique. Une fois la couche particulaire imprégnée 21 obtenue, la pièce (comprenant le substrat 10 recouvert de la couche particulaire imprégnée 21) subit un traitement E4. Le traitement E4 peut comprendre une étape de désolvatation, une étape de préchauffage et une étape de cuisson. Pendant l’étape de désolvatation, la pièce est séchée de sorte à évaporer, au moins partiellement, les composants les plus volatiles du solvant contenus dans le liant inorganique. Optionnellement, l’étape de désolvatation est effectuée à température ambiante, typiquement pendant 30 minutes à une heure. Pendant l’étape de préchauffage, la pièce placée dans une enceinte qui est portée entre 50°C et 80°C pendant 30 minutes à 1 heure. Optionnellement, l’étape de préchauffage peut être une étape d’étuvage, dans laquelle la pièce est placée dans une étuve, selon les conditions mentionnées ci-dessus. Cette étape permet d’évaporer les traces de solvant résiduelles. Par ailleurs, l’étuvage permet de récupérer les solvants lourds. Pendant l’étape de cuisson, la pièce est placée dans une enceinte qui est portée à une température supérieure à 340°C, de sorte à transformer le reliquat du liant inorganique en matrice inorganique. Selon la nature du liant inorganique, les paramètres de la cuisson peuvent varier, par exemple la cuisson peut être opérée à 340°C pendant une durée comprise entre 30min et 1h ou encore à 400°C pendant plusieurs heures. La cuisson permet d’assurer une déshydratation irréversible et une réticulation du liant inorganique. A la suite du traitement E4, un revêtement abradable présentant une couche particulaire consolidée comprenant une matrice inorganique est formée sur le substrat 10. La FIG. 4 représente un substrat 10 recouvert d’une couche de liaison 30, elle-même recouverte d’une couche particulaire imprégnée 21. Lorsque le procédé de la présente invention comprend le dépôt de la couche de liaison 30, ce dépôt s’effectue préalablement au dépôt E2 de la couche particulaire 20. Ainsi, lorsqu’une couche de liaison 30 est prévue, la couche particulaire 20 est déposée sur la couche de liaison 30. A titre d’exemple, la couche de liaison 30 peut être du MCrAlY ou NiAl ou MCrAl. Plus généralement, la couche de liaison 30 peut être prévue dans un matériau présentant des caractéristiques permettant d’accommoder les incompatibilités entre le substrat et le revêtement particulaire, résultant par exemple de différences de coefficient de dilatation thermique. Comme cela est représenté sur la FIG. 5 , le dépôt E2 de la couche particulaire 20 peut prendre d’autres formes qu’un dépôt d’une couche plane. En particulier, la FIG. 5 représente un substrat 10 recouvert d’une couche particulaire 20 présentant un motif tridimensionnel en forme de nid d’abeille. Plus généralement, le dépôt E2 de la couche particulaire 20 peut s’opérer selon un quelconque motif tridimensionnel périodique. Toute méthode apte à déposer un tel motif peut être employée. A cet égard, la méthode sol-gel ou l’électrophorèse, qui sont deux méthodes connues en soit, peuvent convenir. Toute autre méthode connue apte à permettre le dépôt d’un tel motif tridimensionnel peut être employée, comme le frittage d’un motif ou le dépôt par fabrication additive. Lors de l’imprégnation du motif, un soin est particulièrement employé afin d’imprégner uniquement la couche particulaire 20 et de laisser vide de liant un éventuel dégagement prévu dans le motif. Dans l’exemple d’un motif tridimensionnel en forme de nid d’abeille, le liant inorganique est déposé de sorte à ne pas remplir les cellules formées par le motif hexagonal. Toute méthode connue d’imprégnation sélective peut être employée, comme par exemple un masquage ou une méthode par trempage et retrait successif. A l’issue du procédé, une pièce comprenant un revêtement abradable est obtenue. Le revêtement abradable présente alors une couche particulaire consolidée comprenant une matrice inorganique. Exemple de réalisation Dans les paragraphes et le tableau suivant, sont présentés des exemples de combinaisons de particules pour la couche particulaire, de liant inorganique et éventuellement de sous-couche pour la réalisation de l’invention. On comprend bien que les exemples donnés ci-après n’ont pas vocation à être limitatifs. En effet, d’autres combinaisons de particules, liant inorganiques et sous-couches pourraient être choisis sans se détacher de la portée de la présente invention. Particules Liant inorganique Sous couche Exemple 1 Alumine ou SiC ou Zircone ou Silice Phosphate ou Silicate ou Aluminate ou Nitrate Pas de sous couche ou Sous-couche métallique de type NiAl, NiCrAl, MCrAlY Exemple 2 MCrAlY Phosphate d’aluminium Zircone et MCrAlY Exemple 3 MCrAlY Silicate d’aluminium Zircone et MCrAlY Exemple 4 AlSi-hBN ou AlNi-hBN Phosphate ou Silicate ou Aluminate ou Nitrate Sous-couche métallique de type NiAl, NiCrAl, MCrAlY Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation 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. Il 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. Procédé de fabrication d’une pièce revêtue d’un revêtement abradable, comprenant la fourniture d’un substrat (10) ; le dépôt d’une couche particulaire (20), poreuse, sur le substrat (10), la couche particulaire (20) ayant une porosité ouverte ; l’imprégnation de la couche particulaire (20) par un liant inorganique ; le traitement de la couche particulaire imprégnée (21) pour consolider au moins une partie du liant inorganique au sein de la couche imprégnée et ainsi former une matrice inorganique, de façon à obtenir le revêtement abradable. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la couche particulaire (20) comprend au moins l’un d’un métal et d’une céramique. Procédé selon l’une des revendications 1 ou 2 dans lequel le traitement de la couche particulaire imprégnée (21) comprend une étape de désolvatation dans laquelle la pièce est séchée, optionnellement à température ambiante, une étape de préchauffage entre 50°C et 80°C pendant 30 minutes à 1 heure, une étape de cuisson à une température supérieure à 340°C. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3 dans lequel le dépôt de la couche particulaire (20) est effectué selon un motif tridimensionnel périodique. Procédé selon la revendication 4 dans lequel le motif tridimensionnel est un motif hexagonal de type nid d’abeille. Procédé selon l’une des revendications 1 à 5 comprenant, préalablement au dépôt de la couche particulaire (20), le dépôt d’une couche de liaison (30). Procédé selon l’une des revendications 1 à 6 dans lequel le dépôt de la couche particulaire (20) est effectué par électrophorèse et l’imprégnation de la couche particulaire (20) est effectué par une méthode de trempage/retrait. Procédé selon l’une des revendications 1 à 7 dans lequel la couche particulaire (20) présente une épaisseur supérieure à 1 millimètre. Pièce revêtue pour turbine à gaz comprenant : un substrat (10); un revêtement abradable déposé sur le substrat, et présentant une couche particulaire consolidée comprenant une matrice inorganique. Pièce revêtue selon la revendication 9 comprenant une couche de liaison (30) prévue entre le substrat métallique et le revêtement abradable. Pièce revêtue selon l’une des revendications 9 ou 10, dans laquelle la couche particulaire consolidée présente un motif tridimensionnel périodique.