WO2018202964A1

WO2018202964A1 - Piece de turbine en superalliage et procede de fabrication associe par bombardement de particules chargees

Info

Publication number: WO2018202964A1
Application number: PCT/FR2018/000109
Authority: WO
Inventors: Amar Saboundji; Virginie Jaquet
Original assignee: Safran SA
Current assignee: Safran SA
Priority date: 2017-05-05
Filing date: 2018-05-07
Publication date: 2018-11-08
Anticipated expiration: 2019-11-05
Also published as: FR3065968A1; FR3065968B1; CN110709536A; US20200191002A1; EP3619338A1

Abstract

L'invention concerne une pièce de turbine, telle qu'une aube de turbine ou une ailette de distributeur par exemple, comprenant un substrat en superalliage base nickel monocristallin, une sous-couche métallique recouvrant le substrat, et une couche protectrice en oxyde métallique recouvrant la sous-couche, caractérisé en ce que la sous-couche métallique a une surface en contact avec la couche protectrice et la surface présente une rugosité moyenne inférieure à 1 μm.

Description

PIECE DE TURBINE EN SUPERALLIAGE ET PROCEDE DE FABRICATION ASSOCIE PAR BOMBARDEMENT DE PARTICULES CHARGEES

DOMAINE DE L'INVENTION

L'invention concerne une pièce de turbine, telle qu'une aube de turbine ou une ailette de distributeur par exemple, utilisée dans l'aéronautique.

ETAT DE LA TECHNIQUE

Dans un turboréacteur, les gaz d'échappement générés par la chambre de combustion peuvent atteindre des températures élevées, supérieure à 1200° C, voire 1600°C. Les pièces du turboréacteur, en contact avec ces gaz d'échappement, telles que les aubes de turbine par exemple, doivent ainsi être capables de conserver leurs propriétés mécaniques à ces températures élevées.

A cet effet, il est connu de fabriquer certaines pièces du turboréacteur en « superalliage ». Les superalliages constituent une famille d'alliages métalliques à haute résistance pouvant travailler à des températures relativement proches de leurs températures de fusion, typiquement 0,7 à 0,8 fois leurs températures de fusion.

Afin de renforcer la résistance thermique de ces superalliages et de les protéger contre l'oxydation et la corrosion, il est connu de les recouvrir d'un revêtement jouant un rôle de barrière thermique.

La figure 1 illustre schématiquement une section d'une pièce de turbine 1 , par exemple une aube de turbine ou une ailette de distributeur. La pièce 1 comprend un substrat 2 en superalliage métallique monocristallin recouvert d'une barrière thermique 10.

La figure 2 est une microphotographie illustrant une section d'une partie de la barrière thermique 10 de la pièce de turbine 1 , recouvrant le substrat 2. Le rectangle noir de la figure 2 est une barre d'échelle correspondant à une longueur de 50 μιτι. La barrière thermique 10 comprend une sous-couche métallique 3, une couche protectrice 4 et une couche thermiquement isolante 5. La sous-couche métallique 3 recouvre le substrat 2 en superalliage métallique. La sous-couche métallique 3 est recouverte de la couche protectrice 4, formée par oxydation thermique de la sous-couche métallique 3 (la couche protectrice est désignée par TGO, acronyme anglais de Thermally Grown Oxide). La couche protectrice 4 permet de protéger le substrat en superalliage de la corrosion et/ou de l'oxydation. La couche thermiquement isolante 5 recouvre la couche protectrice 4. La couche thermiquement isolante 5 peut être en céramique, par exemple en zircone yttriée. La sous-couche métallique 3 assure une liaison entre la surface du substrat en superalliage et la couche protectrice.

Lors de la fabrication de la barrière thermique, il est connu de décaper les oxydes formés à la surface de la sous-couche après le dépôt de la sous-couche. Ces oxydes sont formés en contact avec l'atmosphère ambiante et sont instables ou métastables lors de l'utilisation de la pièce de turbine.

A cet effet, il est connu de sabler la surface extérieure de la sous-couche métallique. Le sablage permet de décaper les oxydes formés à la surface de la sous-couche après le dépôt de la sous-couche.

Toutefois, lorsqu'une TGO est formée sur la sous-couche après une étape de sablage selon une méthode connue :

- des impuretés sont transportées à la surfaces de la sous-couche. Ces impuretés sont incorporées dans la couche protectrice lors de la formation de la couche protectrice par oxydation ;

- la taille des grains de la TGO est hétérogène. La couche protectrice présente en particulier de petits grains (par exemple d'une taille inférieure à 1 μπι), connus pour diminuer la résistance à la corrosion et à l'oxydation des barrières thermiques, ainsi que l'adhérence de la couche protectrice à la sous-couche ;

- différentes phases allotropiques peuvent coexister dans la couche protectrice. Dans le cas d'une TGO en alumine, il est connu que dans des conditions d'utilisation de la pièce, à haute température, les phases différentes de la phase a se transforment en phase a en changeant de volume. Cette variation de volume entraîne des contraintes de traction et des fissures dans la TGO, favorisant son écaillage. Ainsi, la durée de vie de la barrière thermique est significativement diminuée ;

- la cinétique de croissance de la TGO est différente sur différentes parties de la sous-couche métallique. Cette disparité de la cinétique de croissance de la TGO entraîne des contraintes mécaniques dans la TGO lors de l'utilisation de la barrière thermique et une diminution de sa durée de vie. RESUME DE L'INVENTION

Un but de l'invention est de proposer une solution pour protéger efficacement une pièce de turbine en superalliage de l'oxydation et de la corrosion tout en présentant une durée de vie plus longue qu'avec les barrières thermiques connues.

Ce but est atteint dans le cadre de la présente invention grâce à un procédé de fabrication d'une pièce de turbine comprenant :

- un substrat en superalliage base nickel monocristallin,

- une sous-couche métallique recouvrant le substrat, et

- une couche protectrice en oxyde métallique recouvrant la sous-couche, le procédé comprenant des étapes de :

a) bombardement de particules chargées sur une surface de la sous-couche métallique, puis

b) formation de la couche protectrice sur la surface bombardée lors de l'étape a).

Comme la sous-couche est bombardée par des particules chargées, il est possible d'obtenir une surface gravée de la sous-couche métallique en contact avec la couche protectrice présentant une rugosité inférieure aux rugosités généralement obtenues par des techniques classiques de décapage par sablage mécanique. De plus, la rugosité obtenue présente une meilleure homogénéité. Cela a pour effet que la couche protectrice croît à une cinétique homogène lors de sa formation, ce qui permet d'éviter des contraintes mécaniques pendant l'utilisation de la pièce, entraînant l'écaillage de la couche protectrice. L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises individuellement ou en l'une quelconque de leurs combinaisons techniquement possibles :

l'étape de bombardement de particules chargées est mise en uvre par un plasma ;

- le procédé comprend une étape de dépôt de la sous-couche métallique en phase vapeur sur le substrat avant l'étape a) ;

on chauffe la pièce, sous vide, à une température supérieure à 1000°C, entre les étapes a) et b) ; on chauffe la pièce entre 800 °C et 1200°C entre le dépôt de la sous-couche métallique et l'étape a).

la pièce est mise en rotation pendant l'étape a) ;

la pièce est gardée sous vide entre les étapes a) et b).

- on chauffe la pièce à une température supérieure à 1000 °C pendant l'étape b) ;

l'étape a) est mise en œuvre dans une première enceinte sous vide, l'étape b) est mise en œuvre dans une seconde enceinte sous vide, et la pièce est transportée, entre les étapes a) et b), de la première enceinte vers la deuxième enceinte dans un passage, maintenu sous vide, reliant les deux enceintes.

L'invention a également pour objet une pièce de turbine comprenant : un substrat en superalliage base nickel monocristallin,

une sous-couche métallique recouvrant le substrat, et

une couche protectrice en oxyde métallique recouvrant la sous-couche, caractérisée en ce que la sous-couche métallique a une surface en contact avec la couche protectrice et en ce que la surface présente une rugosité moyenne comprise entre 100 nm et 1 μηη.

L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises individuellement ou selon l'une quelconque de leurs combinaisons techniquement possibles :

l'écart-type de la rugosité de la surface est inférieur à 20% de la rugosité moyenne de la surface ;

la couche protectrice comprend une couche d'alumine en phase a.

PRESENTATION DES DESSINS

D'autres caractéristiques et avantages ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue en regard des figures annexées, parmi lesquelles :

- la figure 1 illustre schématiquement une section d'une pièce de turbine, par exemple une aube de turbine ou une ailette de distributeur ; - la figure 2 est une microphotographie illustrant une section d'une partie de la barrière thermique de la pièce de turbine ;

- la figure 3 illustre un procédé de fabrication d'une pièce de turbine ;

- la figure 4 illustre schématiquement la section d'une partie de pièce de turbine ;

- la figure 5 est une microphotographie illustrant la surface de la sous- couche métallique en contact avec la couche protectrice ;

- la figure 6 illustre un dispositif de dépôt de la sous-couche métallique ;

- la figure 7 illustre un dispositif de bombardement de particules chargées sur la sous-couche métallique ;

- la figure 8 illustre un dispositif permettant de garder la pièce de turbine sous vide entre une étape de gravure de la sous-couche métallique et une étape de formation de la couche protectrice. DEFINITIONS

On désigne par le terme « superalliage » un alliage complexe 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).

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, mais également parfois une base titane ou aluminium.

Les « superalliages base nickel » présentent l'avantage d'offrir un bon compromis entre résistance à l'oxydation, résistance à la rupture à haute température et poids, ce qui justifie leur emploi dans les parties les plus chaudes des turboréacteurs.

On désigne par le terme « vide » un vide primaire, moyen ou poussé, c'est- à-dire caractérisé par une pression comprise entre 10^"3 et 5 mbar. Un tel vide peut être adapté à un bombardement de particules chargées, par exemple par la formation d'un plasma, à température ambiante. Le plasma peut être un plasma d'argon.

On désigne par alumine a une variété allotropique de l'alumine correspondant à la Corindon, de structure cristalline rhomboédrique. Une couche d'alumine a peut être formée par plusieurs grains d'alumine a, chacun des grains délimitant une phase cristalline a.

On désigne par rugosité, de manière générale, une mesure de l'état de surface représentative des déviations dans la direction normale d'un plan moyen localement tangent à la surface considérée. On désignera par rugosité moyenne, R_a, la moyenne arithmétique de la norme des déviations d'une surface par rapport à la surface moyenne, soit :

où Vi est une mesure d'une déviation de la surface par rapport à la surface moyenne.

On désigne par homogénéité de la rugosité une dispersion de la rugosité plus petite qu'une dispersion de référence, caractérisée et/ou mesurée par un écart type de la rugosité d'une surface inférieur à 20% de la rugosité moyenne. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION

En référence à la figure 3, le procédé de fabrication 100 d'une pièce de turbine comprend les étapes suivantes.

Lors d'une première étape 101 du procédé de fabrication de la pièce 1 , on dépose une sous-couche métallique 3 sur un substrat 2 base nickel monocristallin. On peut par exemple déposer une ou plusieurs couches métalliques comprenant du nickel et/ou de l'aluminium par dépôt physique en phase vapeur (PVD). Un tel dépôt peut être réalisé par pulvérisation cathodique, et/ou selon toute autre méthode connue de PVD.

Lors d'une seconde étape 102 du procédé, on chauffe le substrat muni de la sous-couche métallique à une température T comprise entre 800°C et 1200°C. Ce traitement thermique entraîne la diffusion des ions métalliques de la sous- couche 3 dans le substrat 2 de manière à former une zone d'interdiffusion, permettant une meilleure tenue à l'oxydation lors de l'utilisation de la pièce. Lors d'une troisième étape 103 du procédé, on bombarde une surface de la sous-couche métallique 3 avec des particules chargées. Ces particules peuvent être des ions, comme des ions d'argon, et/ou des électrons. On peut par exemple graver une surface de la sous-couche métallique 3 au plasma 7, c'est-à-dire en utilisant un plasma 7. Le substrat muni d'une sous-couche métallique peut être placée dans une enceinte maintenue sous vide, dans laquelle on contrôle un écoulement continu d'un ou plusieurs gaz apportant le ou les élément(s) chimique(s) composant le plasma. De manière générale, on utilise un ou plusieurs gaz permettant une gravure métallique. Avantageusement, on utilise de l'argon ou de l'oxygène. Cette étape de bombardement de particules chargées permet de décaper les oxydes métastables formés de manière native sur la surface 16 de la sous-couche 3.

Ainsi, la rugosité de surface 16 peut être plus petite qu'en utilisant les méthodes connues de l'art antérieure, tels que le sablage et la gravure électrochimique. La surface 16 de la sous-couche métallique 3 présente par exemple une rugosité moyenne R_a inférieure à 1 μιτι, préférentiellement inférieure à 500 nm et préférentiellement comprise entre 00 nm et 300 nm.

L'utilisation d'un bombardement de particules chargées permet également de graver l'ensemble de la surface 16 de la pièce de manière homogène. Cet effet est particulièrement adapté aux pièces 1 dont la géométrie est complexe. Par exemple, l'écart type de la rugosité sur la surface 16 de la sous-couche 3 gravée au plasma est inférieure à 500 nm, préférentiellement inférieure à 300 nm et préférentiellement inférieure à 100 nm.

De manière générale, le bombardement de particules chargées de l'étape 103 peut être réalisé par toute méthode de bombardement ionique et/ou électronique permettant de graver une surface métallique avec une rugosité R_a inférieure à 1 pm. Elle peut également être réalisée en utilisant un laser femtoseconde.

Avantageusement, la pièce 1 est mise en rotation pendant l'étape 103 de bombardement de particules chargées. A cet effet, on peut agencer la pièce 1 dans un tambour dans l'enceinte ou sur un support rotatif. La rotation de la pièce permet d'augmenter l'homogénéité de la rugosité de la surface 16 de la sous- couche 3. Comme le bombardement de particules chargées n'entraîne aucun contact mécanique lors de la gravure, on évite le transport d'impuretés sur la surface 16 de la sous-couche 3.

Lors d'une quatrième étape 104 du procédé, on chauffe la pièce, avantageusement sous vide, à une température supérieure à 1000° C. Ainsi, des atomes du plasma, comme des atomes d'argon, éventuellement adsorbés à la surface 16 de la sous-couche métallique 3, sont éliminés ou transportés à l'écart de la pièce.

Lors d'une cinquième étape 105 du procédé, on forme la couche protectrice 4 sur la surface 16 bombardée de la sous-couche métallique 3. La surface 16 peut être une surface gravée au plasma lors de l'étape 103 du procédé. La couche protectrice 4 est avantageusement uniquement composée d'alumine a. A cet effet, on chauffe la pièce, dans une atmosphère comprenant de l'oxygène à une température supérieure à 1000 °C, de manière à former une couche protectrice 4 par oxydation thermique. Préférentiellement, la température de 1000 °C est atteinte en moins de dix minutes et préférentiellement en moins de cinq minutes, de manière à éviter la formation d'oxyde métastable sur la sous-couche métallique 3.

La rugosité R_a de la surface 16 de la sous-couche métallique 3, petite au regard des valeurs de rugosité usuelles, permet de former une couche protectrice 4 comprenant des grains d'alumine a dont la taille est supérieure aux grains d'alumine a des couches protectrices réalisées selon des méthodes connues. La couche protectrice 4 peut par exemple comprendre une couche d'alumine en phase a. Cette couche peut être formée de grains présentant une taille moyenne, dans un plan localement tangent à la surface 16, supérieure à 50 μι^η. L'augmentation de la taille des grains de l'alumine a permet d'augmenter la durée de vie de la barrière thermique. La couche protectrice 4 peut également comprendre une couche d'alumine exclusivement en phase a.

En outre, l'homogénéité de la rugosité de la surface 16 de la sous-couche métallique 3 bombardée par des particules chargées permet de former la couche protectrice 4 à une cinétique constante sur la surface 16 de la sous-couche métallique 3. Ainsi, la couche protectrice 4 formée présente des propriétés mécaniques et une épaisseur sensiblement constantes sur la surface 16 de la sous- couche métallique 3, ce qui permet d'éviter des contraintes mécaniques pendant l'utilisation de la pièce, entraînant l'écaillage de la couche protectrice 4.

L'ensemble des étapes du procédé peut avantageusement être réalisé sous vide, ou de manière générale, sans exposer la pièce à l'atmosphère ambiante. En particulier, la pièce peut être gardée sous-vide entre les étapes 103 et 105 du procédé. Ainsi, on évite la formation d'oxyde instable et/ou métastable sur la surface 16.

La figure 4 illustre schématiquement la section d'une partie de pièce 1 de turbine obtenue par un procédé conforme au procédé de la figure 3. La pièce 1 de turbine est par exemple une aube de turbine, une ailette de distributeur ou tout autre élément, partie ou pièce de turbine. Elle comprend un substrat 2 en superalliage base nickel monocristallin, un sous-couche métallique 3 recouvrant le substrat 2 et une couche protectrice 4 en oxyde métallique recouvrant la sous- couche 3. Une couche thermiquement isolante 5 peut par exemple recouvrir la couche protectrice 4. La barrière thermique 10 comprend la sous-couche métallique 3, la couche protectrice 4 et la couche thermiquement isolante 5. La sous-couche métallique 3 a une surface 16 en contact avec la couche protectrice 4 présentant une rugosité inférieure à 1 pm, préférentiellement inférieure à 500 nm et préférentiellement comprise entre 100 et 300 nm.

La figure 5 est une microphotographie d'un détail d'une pièce 1 de turbine. Le rectangle noir de la figure 5 est une barre d'échelle correspondant à 5 pm. La pièce comprend une couche protectrice 4 en oxyde métallique recouvrant une sous-couche métallique 3. Dans ce mode de réalisation de l'invention, la sous- couche métallique 3 a été gravée au plasma, puis une couche protectrice 4 a été formée sur la sous-couche métallique 3.

En référence à la figure 6, le dépôt PVD correspondant à l'étape 101 peut être réalisé à l'intérieur d'une enceinte 12 contenant la pièce 1 et une ou plusieurs cible(s) 8 correspondant au(x) matériau(x) à déposer. La pièce 1 illustrée sur la figure 6 peut être une aube 6 de turbine, une ailette de distributeur, ou tout autre élément, partie ou pièce d'une turbine. Le substrat 2 en superalliage peut être polarisé par une liaison électrique 15 reliée à un générateur de potentiel électrique. Sous l'application d'une différence de potentiel positive entre la (les) cible(s) 8 et le substrat 2, un plasma 7 d'argon peut se former, dont les espèces positives sont attirées par la cathode (cible 8) et entrent en collision avec celle-ci. Les atomes de la ou des cible(s) 8 sont pulvérisés et se condensent alors sur ladite pièce de manière à former la ou les sous-couche(s) 3 métalliques. De préférence, les conditions de dépôt sont les suivantes :

- chauffage pendant le dépôt : de 100 à 900 °C ;

- pression : de 0, 1 Pa à 1 Pa ;

- densité de puissance : 2 à 15 W/cm² ;

- polarisation : de 0 à 400 V.

Le bombardement ionique est réalisé pendant 10 à 30 minutes.

En référence à la figure 7, le bombardement de particules chargées, par exemple mis en œuvre par un plasma 7, correspondant à l'étape 103, peut être réalisé à l'intérieur d'une enceinte 12 contenant la pièce 1 et une ou plusieurs cibles 8 correspondant au(x) matériau(x) à déposer. L'enceinte peut être l'enceinte utilisée lors de l'étape 101 illustrée sur la figure 6. Le substrat 2 en superalliage peut être polarisé par une liaison électrique 15 reliée à un générateur de potentiel électrique. Sous l'application d'une différence de potentiel négative entre la (les) cible(s) 8 et le substrat 2, un plasma 7 d'argon peut se former, dont les espèces positives sont attirées par la cathode (pièce de turbine) et entrent en collision avec celle-ci. Ainsi, la surface 16 de la sous-couche métallique 3 peut être gravée. De préférence, les conditions de dépôt sont les suivantes :

- pression : de 0, 1 Pa à 1 Pa ;

- densité de puissance : 2 à 15 W/cm² ;

- polarisation : de 0 à - 400 V.

En référence à la figure 8, l'étape 103 de fabrication de la pièce peut être mise en oeuvre dans une première enceinte 13. La pièce peut être transportée de la première enceinte à une seconde enceinte 14, dans laquelle est mise en oeuvre l'étape 105, dans un passage 9 maintenu sous vide, reliant les deux enceintes 13, 14. Le passage peut être délimité par un canal, un conduit et/ou un tuyau. Ainsi, la pièce peut être gardée sous vide entre les étapes 103 et 105 de manière à éviter la formation d'oxyde métastable ou instable avant la formation de la couche protectrice 4 lors de l'étape 105. Le passage peut comprendre une vanne 11 , permettant de contrôler le vide dans seulement l'une des première ou deuxième enceintes, en fonction de l'étape de fabrication de la pièce. L'ouverture de la vanne 11 est adaptée au transport de la pièce de turbine, de la première enceinte vers la deuxième enceinte.

Claims

REVENDICATIONS

1 . Procédé de fabrication d'une pièce (1 ) de turbine comprenant :

- un substrat (2) en superalliage base nickel monocristallin,

- une sous-couche métallique (3) recouvrant le substrat, et

- une couche (4) protectrice en oxyde métallique recouvrant la sous-couche, le procédé comprenant des étapes de :

a) bombardement de particules chargées (7) sur une surface (16) de la sous-couche métallique, puis

b) formation de la couche protectrice (4) sur la surface bombardée lors de l'étape a).

2. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel le bombardement de particules chargées est mis en œuvre par un plasma.

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, comprenant une étape de dépôt de la sous-couche métallique en phase vapeur sur le substrat avant l'étape a) du procédé.

4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, comprenant une étape de chauffage de la pièce, sous vide, à une température supérieure à 1000° C, entre les étapes a) et b).

5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel on chauffe la pièce entre 800° C et 1200° C entre le dépôt de la sous-couche métallique et l'étape a).

6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel la pièce est mise en rotation pendant l'étape a).

7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel la pièce est gardée sous vide entre les étapes a) et b).

8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel on chauffe la pièce à une température supérieure à 1000 ° C pendant l'étape b).

9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel l'étape a) est mise en œuvre dans une première enceinte (13) sous vide, l'étape b) est mise en œuvre dans une seconde enceinte (14) sous vide, et dans lequel la pièce est transportée, entre les étapes a) et b), de la première enceinte vers la deuxième enceinte dans un passage (9), maintenu sous vide, reliant les deux enceintes.

10. Pièce (1 ) de turbine comprenant :

- un substrat (2) en superalliage base nickel monocristallin,

- une sous-couche (3) métallique recouvrant le substrat, et

- une couche protectrice (-4) en oxyde métallique recouvrant la sous-couche, caractérisée en ce que la sous-couche métallique a une surface (16) en contact avec la couche protectrice et la surface présente une rugosité moyenne comprise entre 100 nm et 1 \\m.

1 1 . Pièce de turbine selon la revendication 10 dans laquelle l'écart-type de la rugosité de la surface est inférieur à 20% de la rugosité moyenne de la surface (16).

12. Pièce de turbine selon la revendication 10 ou 1 1 , dans laquelle la couche protectrice comprend une couche d'alumine en phase a.