FR2508493A1

FR2508493A1 - PROCESS FOR APPLYING THERMAL BARRIER COATING OF TOLERANT CERAMIC MATERIAL TO CONSTRAINTS ON A METALLIC SUBSTRATE

Info

Publication number: FR2508493A1
Application number: FR8210177A
Authority: FR
Inventors: Duane Louis Ruckle; Conrad Martin Banas; Francis Salvatore Galasso
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1981-06-30
Filing date: 1982-06-11
Publication date: 1982-12-31
Also published as: GB2100621A; DE3224305A1; FR2508493B1; IL66081A; IL66081A0; DE3224305C2; JPS5816094A; JPS641551B2; GB2100621B

Abstract

LA PRESENTE INVENTION CONCERNE UN PROCEDE POUR APPLIQUER UN REVETEMENT DE BARRIERE THERMIQUE CERAMIQUE TOLERANT AUX CONTRAINTES SUR UN SUBSTRAT METALLIQUE. ON APPLIQUE SUR LE SUBSTRAT METALLIQUE UN REVETEMENT DE MATIERE CERAMIQUE DENSE. LE REVETEMENT DE MATIERE CERAMIQUE EST ALORS PARTIELLEMENT FONDU ET ON LUI PERMET DE SOLIDIFIER. DES FISSURES SE DEVELOPPENT LORS DE LA SOLIDIFICATION CE QUI AMELIORE LA TOLERANCE AUX CONTRAINTES DE LA MATIERE CERAMIQUE ET REND CELLE-CI RESISTANTE A L'EFFRITEMENT PENDANT LES CYCLES THERMIQUES. L'INVENTION EST PAR EXEMPLE UTILISABLE DANS LE DOMAINE DES MOTEURS A TURBINES A GAZ.THE PRESENT INVENTION CONCERNS A PROCESS FOR APPLYING A CERAMIC THERMAL BARRIER COATING TOLERANT TO STRAIN ON A METAL SUBSTRATE. A COATING OF DENSE CERAMIC MATERIAL IS APPLIED TO THE METAL SUBSTRATE. THE COATING OF CERAMIC MATERIAL IS THEN PARTIALLY MELTED AND IT IS ALLOWED TO SOLIDIFY. CRACKS DEVELOP DURING SOLIDIFICATION WHICH IMPROVES THE TOLERANCE TO THE STRESSES OF THE CERAMIC MATERIAL AND MAKES IT RESISTANT TO SCRATCHING DURING THERMAL CYCLES. THE INVENTION CAN BE USED FOR EXAMPLE IN THE FIELD OF GAS TURBINE ENGINES.

Description

-1- La présente invention concerne un procédé pour appliquer un revêtementThe present invention relates to a method for applying a coating

de barrière thermique en matièreThermal barrier material

céramique tolérant aux contraintes sur un substrat métallique. stress tolerant ceramic on a metal substrate.

La techniaue a longtemps recherché à combiner Techniaue has long sought to combine

les propriétés des matières céramiques avec celles des métaux. the properties of ceramic materials with those of metals.

Donc, par exemple, de nombreuses tentatives ont été faites pour appliquer des revêtements céramiques protecteurs sur des articles métalliques qui trouvent des applications aux températures élevées de façon à combiner les propriétés thermiques des matières céramiques avec la tenacité des métaux. Le problème principal qui jusqu'à présent Thus, for example, many attempts have been made to apply protective ceramic coatings to metal articles which find applications at elevated temperatures so as to combine the thermal properties of the ceramic materials with the toughness of the metals. The main problem that until now

n'a pas été résolu avec succès est que le différence substan- has not been solved successfully is that the substantial difference

i Stielle de coefficient de dilatation thermique des métaux et de matières céramiques conduit invariablement à la rupture des revêtements céramiques sous les conditions des cycles thermiques. Une tentative qui a été mise en oeuvre en un effort pour surmonter ce problème est celui de la gradation du revêtement depuis une composition entièrement métallique à la surface métallique jusqu'à une composition entièrement The coefficient of thermal expansion of metals and ceramic materials invariably leads to the breaking of ceramic coatings under the conditions of thermal cycles. One attempt that has been made in an effort to overcome this problem is that of gradation of the coating from an all-metal composition to the metal surface to a fully composition.

en matière céramique à la surface externe du revêtement. ceramic material on the outer surface of the coating.

De cette façon, on croit que le coefficient de dilatation thermique changera graduellement au travers de l'épaisseur le ce revêtement et/la tension résultante du cycle thermique In this way, it is believed that the coefficient of thermal expansion will gradually change through the thickness of this coating and / or the resulting voltage of the thermal cycle.

ne sera/suffisante pour provoquer des dégâts au revêtement. will not be sufficient to cause damage to the coating.

Une telle tentative est décrite dans le brevet US No. 3 091 548 Le problème avec cette tentative graduelle est que les particules distinctes de métal dans le revêtement graduel s'oxydent et augmenteitde volume en produisant des Such an attempt is described in US Pat. No. 3,091,548. The problem with this gradual attempt is that the discrete metal particles in the gradual coating oxidize and increase in volume producing

tensions inacceptables dans le revêtemaent. unacceptable tensions in the clothing.

Dans le domaine général des combinaisons métal-matière céramique, il est connu d'utiliser des pièces de matière céramique segmentéeste Les que des tuiles qui sont In the general field of metal-ceramic material combinations, it is known to use pieces of ceramic material segmented as tiles that are

soudées aux structures métalliques pour leur protection. welded to metal structures for their protection.

Dans cette approche, qui est généralement appliquée à de grands articles métalliques, les segments ne sont pas soudés l'un à l'autre, et les espaces entre les tuiles In this approach, which is usually applied to large metal items, the segments are not welded to one another, and the spaces between the tiles

permettent une adaptation de la dilatation thermique du métal. allow an adaptation of the thermal expansion of the metal.

-2- Une telle approche el'application de segmtents individuels) ne serait généralement pas pratique dans le cas de petits éléments te Ls'iue des éléments de moteur à turbine à gaz dans lesquels des conditions extrêmes de fonctionnement sont rencontrées et ou une multiplicité de petits éléments Such an approach and application of individual segments would generally not be practical in the case of small components such as gas turbine engine elements in which extreme operating conditions are encountered and / or a multiplicity of small items

complexes doivent être enduits à un prix raisonnable. Complexes must be coated at a reasonable price.

av Cc En outre, lors de l'utilisation de cette approche > éléments en matière céramique segmenté S, il reste les problèmes In addition, when using this approach> segmented ceramic elements S, there are still problems

d'obtention d'une bonne soudure métal-matière céramique. to obtain a good metal-ceramic material weld.

La présente invention comprend un procédé The present invention comprises a method

pour produire des revêtements de matière céramique segmen- to produce segmental ceramic coatings

tés sur des substrats métalliques ainsi que les articles on metal substrates and articles

composites résultantsobtenus L'invention suppose que l'ar- The invention assumes that the

ticle métallique comprend un revêtement céramique adhérent sur sa surface extérieure De préférence, un revêtement liant ou couche intermédiaire est intercalé entre le The metal article comprises an adherent ceramic coating on its outer surface. Preferably, a binder coating or intermediate layer is interposed between the

substrat et le revêtement pour favoriser l'adhérence. substrate and coating to promote adhesion.

La couche de surface en matière céramique est craquelée ou segmentée par l'utilisation d'une source de chaleur de haute intensité La surface libre de matière céramique est rapidement fondue et in fissures se produxtelors de The surface layer of ceramic material is cracked or segmented by the use of a high intensity heat source. The ceramic free surface is rapidly melted and cracks occur.

la solidification.solidification.

D'autres caractéristiques et avantages Other features and benefits

apparaîtront à la lecture de la description et des will appear on reading the description and

revendications faite à la lumière des dessins suivants claims made in light of the following drawings

qui illustrent un mode de réal:sation de l'invention. which illustrate a mode of realization of the invention.

La figure 1 est une photomicrographie montrant une coupe au travers d'un revêtement de matière Figure 1 is a photomicrograph showing a section through a coating of material

céramique segmentée.segmented ceramic.

La figure 2 est une photomicrographie montrant une coupe d'un revêtement de matière céramique segmenté. La présente invention a des possibilités d'applications très larges Les revêtements de matière céramique segmentér selon l'invention peuvent être Fig. 2 is a photomicrograph showing a section of a segmented ceramic material coating. The present invention has very wide application possibilities. Segmented ceramic material coatings according to the invention can be

appliqués à des substrats de nombreuses matières différen- applied to substrates of many different materials

tesy compris ceux à base de fer, de nickel et de cobalt. tesy including those based on iron, nickel and cobalt.

Similairement, le revêtement céramique peut être choisi Similarly, the ceramic coating can be chosen

dans un grand groupe de matièrescéramique -,y compris la zir- in a large group of ceramic materials - including zir-

cone (de préférence stabiliséeavec une matière telle que l'oxyde d'yttrium), l'alumine, l'oxyde de cérium, la mullite, le zircon, la silice, le nitrure de silicium, l'oxyde d'hafnium et certains zirconates, borures et nitru- res. Un préliminaire nécessaire à la présente cone (preferably stabilized with a material such as yttrium oxide), alumina, cerium oxide, mullite, zircon, silica, silicon nitride, hafnium oxide and certain zirconates , borides and nitrites. A preliminary necessary to this

invention est l'utilisation d'un substrat enduit d'un revê- invention is the use of a substrate coated with a coating

tement céramique adhérent continu dense Jusqu'à présent, la pulvérisation à l'arc plasma est utilisée pour appliquer le revêtement de matière céramique, mais il est prévu que d'autres techniquesy compris l'application d'une pâte et At present, plasma arc spraying is used to apply the ceramic coating, but it is expected that other techniques including the application of a paste and

la pulvérisation cathodiquepeuvent également être utilisées. sputtering can also be used.

Le revêtement doit être adhérentai substrat et l'adhérence peut être le mieux obtenue par l'utilisation d'un revêtement liant intermédiaire Une variété de revêtementsliants sont possibles 1 y compris ceux à base de M Cr o le chrome se situe entre 20 à 45 %, ceux à base de M Cr Al o la quantité de chrome se situe entre environ 15 à environ 45 % et l'aluminium se situe entre environ 7 à 15 %, ceux à base de M Cr, ceux à base de M Cr Al Y o le cobalt se situe entre environ 15 à 45 %, l'aluminium entre environ 7 à 20 % et l'yttrium entre environ 0,1 à environ 5 % et ceux à base de M Cr Al Hf o le chrome se situe entre environ 15 à environ 45 %, l'aluminium se situe entre environ 7 à environ 15 % et le hafnium se situe entre environ 0,5 à 7 % Dans tous ces revêtements liants, "M" est choisi dans le groupe comprenant le nickel, le cobalt et le fer et des mélanges de ceux-ci, des mélanges de nickel et de cobalt étant particulièrement favorisés Des additions minimes d'autres- éléments 1 y compris le siliciumpeuvent être faites à toutes ces compositions sans nuire à leur utilité comme revêtement liant, et l'yttrium The coating must be adherent to the substrate and the adhesion may be best achieved by the use of an intermediate binder coating. A variety of bonding coatings are possible 1 including those based on M Cr where the chromium is between 20 to 45% , those based on M Cr Al o the amount of chromium is between about 15 to about 45% and aluminum is between about 7 to 15%, those based on M Cr, those based on M Cr Al Y o cobalt is between about 15 to 45%, aluminum between about 7 to 20% and yttrium between about 0.1 to about 5% and those based on M Cr Al Hf where chromium is between about At about 45%, the aluminum is from about 7 to about 15% and the hafnium is from about 0.5 to 7%. In all these binder coatings, "M" is selected from the group consisting of nickel, cobalt and iron and mixtures thereof, mixtures of nickel and cobalt being particularly favored mini additions my other elements - including the siliciump can be made to all these compositions without detracting from their usefulness as a binder coating, and yttrium

peut être partiellement remplacé par un ou plusieurs élé- may be partially replaced by one or more

ments de terres rares Les revêtements liants de M Cr Al Y sont préférés et fournissent un degré surprenant d'adhérence aux revêtements de matière céramiquecomme il est décrit dans le brevet US No 4 248 940 Cependant, ce qui est important pour la présente invention est que le revêtement de matière céramique adhère au substrat et des détails spécifiques sur la façon dont ce résultat est obtenu ne font -4- Reactive coatings of M Cr Al Y binders are preferred and provide a surprising degree of adhesion to ceramic coatings as described in US Pat. No. 4,248,940. However, what is important for the present invention is that the coating of ceramic material adheres to the substrate and specific details on how this result is achieved do not

pas partie nécessaire de la présente invention - not a necessary part of the present invention -

Le revêtement liant, s'il est utilisé, peut être appliqué par une grande variété de techniques,y compris le dépôt physique de vapeur et le dépôt par pulvérisation à l'arc plasma Le dépôt par pulvérisation à l'arc plasma est préféré pour des raisons économiques L'épaisseur du revêtement liant peut se situer largement,par exemple, The binder coating, if used, can be applied by a wide variety of techniques, including physical vapor deposition and plasma arc sputtering. Plasma arc sputtering is preferred for economic reasons The thickness of the bonding coating can be largely, for example,

entre 0,025 à 2,54 mm.between 0.025 to 2.54 mm.

Ainsi qu'on l'a indiqué précédemment, le revêtement de matière céramique doit être dense et dans le cas de la pulvérisation à l'arc plasma ceci peut être As previously indicated, the ceramic material coating must be dense and in the case of plasma arc spraying this can be

obtenu par contrôle des paramètres du procédé de pulvérisa- obtained by controlling the parameters of the spraying process

tion à l'arc plasma En général, des revêtements denses peuvent être obtenus par l'utilisation de fines poudres cbmatière céramique dont la dimension des particules In general, dense coatings can be obtained by the use of fine powders of ceramic material whose particle size

estlimitée dans un intervalleen combinaison avec l'utilisa- limited in an interval in combination with the use

tion d'une énergie supérieure à la normale Pour le cas particulier de la zircone stabilisée en utilisant un pistolet du type Plasmadyne SG 100, l'utilisation d'une poudre ayant été tamisée pour obtenir une poudre à grains de 0,044 mm de dimension avec moins de 20 % de la poudre étant plus petits que 0,055 mm et moins de 10 % de la poudre étant plus petits que 0,037 mma été trouvéecomme donnant de bons résultats Dans cette même situation, une source d'énergie de 50 volts et 800 ampères a été utilisée et la distance entre le pistolet et le spécimen était d'environ 76,2 mm Le dépôt était mis en oeuvre à l'air libre en utilisant un gaz véhicule d'argon 5 % hélium et le substrat avait été refroidi à moins de 3160 C De nouveau, l'épaisseur du revêtement de matière céramique For the particular case of stabilized zirconia using a Plasmadyne SG 100 type gun, the use of a powder that has been sieved to obtain a grain powder of 0.044 mm in size with minus 20% of the powder being smaller than 0.055 mm and less than 10% of the powder being smaller than 0.037 mm was found as giving good results In this same situation, a 50 volt and 800 ampere power source was used and the distance between the gun and the specimen was approximately 76.2 mm. The deposit was carried out in the open using a 5% helium argon carrier gas and the substrate was cooled to less than 31%. C Again, the thickness of the ceramic material coating

peut varier largement en fonction de l'application prévue. may vary widely depending on the intended application.

Des épaisseurs de revêtements de 0,025 mm à 6,35 mm et Coating thicknesses from 0.025 mm to 6.35 mm and

davantage paraissent utiles.more seem useful.

Pour le but de la présente inventionun revêtement de matière céramique dense est un revêtement ayant une porosité inférieure à 15 % et de préférence For the purpose of the present invention a dense ceramic coating is a coating having a porosity of less than 15% and preferably

inférieure à 10 %, mesuréepar des procédés métalligraphi- less than 10% as measured by metallographic

ques Spécifiquement dans la présente invention, les arti- Specifically in the present invention, articles

cles revêtus étaient sectionnés, montés et polis en uti- Coated keys were sectioned, mounted and polished to

lisant des techniques de polissage qui ne provoquent pds d'expulsions des particules; des évaluations de porosité ont alors été faites en utilisant un appareil du type Quantimet (désignation commerciale). reading polishing techniques that do not cause the expulsion of particles; porosity evaluations were then made using a device of the Quantimet type (commercial designation).

Même de tels revêtements de matière cérami- Even such coatings of ceramic material

que apparemment denset&Squue ceux précédemment décrits peuvent se rompre sous des conditions de cycles thermiques sévères à moins qu'ils ne soient seagientés par le procédé selon l'invention et à décrire ci-après En segmentant le revêtement, on crée des assures qui permettent la dilatation du substrat sous-jacent tout en limitant les contraintes de compression dans le revêtement de matière céramique à une valeur inférieure à celle qui Apparently, the above described densities can be broken under severe thermal cycling conditions unless they are seagiented by the process according to the invention and to be described below. Segmenting the coating creates cavities which permit expansion. of the underlying substrate while limiting the compression stresses in the ceramic coating to a value less than that which

provoquerait des ruptures.cause breaks.

Les revêtements de matière céramique sont segmentés en utilisant une source de chaleur de haute intensité pour fondre partiellement le revêtement céramique et ensuite permettre à la matière céramique fondue de solidifier La contraction quise produit pendant The ceramic coatings are segmented using a high intensity heat source to partially melt the ceramic coating and then allow the fused ceramic material to solidify the contraction that occurs during

la solidification produit l'effet de segmentation décrit. the solidification produces the segmentation effect described.

Le procédé selon l'invention exige une source de chaleur de haute intensité Tout le travail expérimental jusqu'à présent comprend l'utilisation d'un laser au CO 2 à onde continue, mais on prévoit que d'autres sources de chaleur telles que la technique avec appareil aux faisceaux The method according to the invention requires a high intensity heat source All experimental work to date includes the use of a continuous wave CO 2 laser, but it is expected that other heat sources such as technique with beamer

d'électrons o même une flamme nul telle qu'une flam- of electrons, even a zero flame such as a flam-

me d'oxyde d'hydrogène serait également satisfaisante. me of hydrogen oxide would also be satisfactory.

Il semble qu'une densité d'énergie d'environ 1,55 x 103 watts par-cm 2 est requise -Cependant, les conditions nécessaires peuvent le mieux être définies par cette combinaison de densité d'énergie et de temps de séjour It appears that an energy density of about 1.55 x 103 watts per cm 2 is required. However, the necessary conditions can best be defined by this combination of energy density and residence time.

qui produira la fusion partielle au travers de l'épais- which will produce the partial fusion through the thick-

seur de la couche de matière céramique sans provoquer la fusion (lu substrat ou du revêtement liant Etant donné of the ceramic layer without causing the fusion of the substrate or the binder coating.

que Zr O 2 fond à environ 20930 C et que les matières typi- that Zr O 2 melts at around 20930 C and that the typical

ques du substrat et du revêtement liant fondent à environ 13160 C, l'application rapide de la chaleur est nécessaire the substrate and the binder coating melt at around 13160 C, the rapid application of heat is necessary

pour fondre la matière céramique sans fondre le substrat. for melting the ceramic material without melting the substrate.

D'un autre côté, une densité d'énergie trop forte provoque- On the other hand, too much energy density causes

-6--6-

ra une évaporation de la matière céramique et une évapora- ev evaporation of the ceramic material and evaporation

tion substantielle de la matière céramique doit être évitée parce qu'elle conduit à un gaspillage de matière céramique et est difficile à contrôler On préfère,par conséquent, utiliser des conditions qui provoqueront une fusion au travers de l'épaisseur de la matière céramique jusqu'à une profondeur de 10 à 90 pourcents de l'épaisseur Substantial use of the ceramic material is to be avoided because it leads to wastage of ceramic material and is difficult to control. It is therefore preferred to use conditions which will cause melting through the thickness of the ceramic material until at a depth of 10 to 90 percent of the thickness

du revêtement de matière céramique sans provoquer une C% 7 apo- of ceramic material without causing a C% 7 apo-

ration significative de la matière céramique Si la fu- significant proportion of the ceramic material.

sion est inférieure à environ 10 % de l'épaisseur, le réseau souhaité de fissures peut ne pas se développer entièrement Si la matière céramique est fondue à plus de % de son épaisseur, la probabilité de fusion du substrat et/ou du revêtement liant est élevée Une fois que la fusion a été réalisée, la solidification se produit naturellement en conséquence de la conductln thermique vers l'intérieur-du substrat et la perte de chaleur vers l'atmosphère Lorsque la matière céramique est fondue, elle est dans un état d'éauilibre de contraintes avec le less than about 10% of the thickness, the desired network of cracks may not fully develop If the ceramic material is melted more than% of its thickness, the probability of melting the substrate and / or the binder coating is Once the melting has been completed, the solidification occurs naturally as a result of the thermal conductivity towards the interior of the substrate and the loss of heat to the atmosphere. When the ceramic material is melted, it is in a state of flux. balance of constraints with the

substrat Lors de la solidification cependant, une diminu- During solidification, however, a decrease in

tion significative de volume se produit ce qui résulte significant volume loss occurs which results

en un développement de tensionsdans la partie en solidifi- in the development of tensions in the solidifying

cation de la matière céramique Ces tensions dépassent la résistance de la matière céramique et il se produit des fissures Les fissures s'étendent au travers de la These voltages exceed the resistance of the ceramic material and cracks occur. The cracks extend through the

partie solidifiée de la matière céramique et peuvent s'é- solidified part of the ceramic material and may

tendre davantage, ces fissures formant un réseau et divisent le revêtement céramique en segments dont la dimension typique est de 8,25 mm Ce réseau de fissures tending more, these cracks forming a network and divide the ceramic coating into segments whose typical dimension is 8.25 mm This network of cracks

e tce qui est souhaité pour obtenir une quantité substan- what is desired to obtain a substantial quantity of

tielle de tolérance aux contraintes dans le revêtement de matière céramique La profondeur desfissures est sensiblement égale à l'épaisseur de la partie fondue cependant à cause de la nature cassante de la matière céramique, les fissures croîtront aisément vers l'intérieur jusqu'à ce qi'eus atteignent le substrat et l'interface de revêtement liant Cette croissance se produira lors de l'exposition aux tensions cycliques telles que celles' qui peuvent résulter d'un cycle thermique soit lors de -7l'utilisation du substrat, soit le cycle thermique peut être utilisé à dessein avant la mise en service pour provoquer la croissance des fissures Il a été trouvé dans certains cas qu'il était nécessaire de préchauffer le substrat enduit avant The depth of the cracks is substantially equal to the thickness of the melted part however due to the brittle nature of the ceramic material, the cracks will easily grow inwards until This growth will occur upon exposure to cyclic stresses such as those which may result from a thermal cycle either during the use of the substrate or thermal cycling. may be used on purpose prior to commissioning to cause crack growth. It has been found in some cases that it is necessary to preheat the coated substrate before

et pendant l'étape de fusion de la surface Ce préchauffa- and during the melting step of the preheating surface

ge du substrat enduit produit un état de tension initial qui élimine efficacement l'effritement du revêtement céramique lors de la fusion de la surface Pendant l'étape de la fusion de la surface, la couche de céramique est chauffée et se dilate jusqu'à un tel degré avant la fusion réelle de la matière céramique que le revêtement S'-effrite du substrat à cause des tensions de compression dans la matière céramique En préchauffant la totalité de l'article enduit, les substrats métalliques se dilatent à une vitesse supérieure à celle du revêtement de matière céramique en plaçant ainsi le revêtement dans une condition initiale de tension Lors de l'étape de fusion de la surface, la dilatation du revêtement de cette matière céramique n'est pas suffisante pour introduire des tensions de compression nuisibles L'étape de préchauffage est nécessaire dans les cas o le substrat The coating of the coated substrate produces an initial state of tension which effectively eliminates crumbling of the ceramic coating upon melting of the surface. During the melting step of the surface, the ceramic layer is heated and expands to Such degree prior to the actual melting of the ceramic material that the coating splintered from the substrate due to compressive stresses in the ceramic material By preheating the entire coated article, the metal substrates expand at a faster rate than of the ceramic coating thus placing the coating in an initial condition of tension During the melting step of the surface, the expansion of the coating of this ceramic material is not sufficient to introduce harmful compression stresses. Preheating is necessary in cases where the substrate

métallique a une surface à section transversale substantiel- metal has a substantial cross-sectional area

le par rapport au revêtement Dans les cas o des éléments métalliques minces tels que des éléments de feuilles métalliques doivent être enduits, l'étape de préchauffage ne serait pas aussi nécessaire étant donné que le substrat With respect to the coating In cases where thin metal elements such as sheet metal elements are to be coated, the preheating step would not be as necessary since the substrate

enduit peut fléchir légèrement pour libérer les tensions. Coating may flex slightly to release tension.

Pour des substrats de nickel et des revêtements de zircone une température de préchauffage d'au moins 4270 C For nickel substrates and zirconia coatings a preheating temperature of at least 4270 C

semble souhaitable Il n'y a apparemment pas de tempéra- seems desirable There is apparently no temperature

tures maximum de préchauffage sauf le danger évident de fusion de substrat et/ou du revêtement liant Une autre considération est que, si le substrat est chauffé à une température élevée la tendance de la température maximum preheating conditions except the obvious danger of substrate melting and / or binder coating Another consideration is that, if the substrate is heated to a high temperature the temperature trend

de fusion de la surface 7 fondre le substrat est augmentée. melting of the surface 7 melt the substrate is increased.

Un intervalle de température de 427 C à 9820 C semble- A temperature range of 427 C to 9820 C appears to be

être utilisable.to be usable.

Le résultat du procédé selon l'invention est montré dans les figures i et 2 Les deux figures montrent une microphotographie d'une coupe au travers de substrat de nickel enduit d'une matière céramique après fusion de la surface au laser La matière céramique comprend de la zircone stabilisée par addiition de 20 % en poids d'yttrium et a été appliquéLau substrat par pulvérisation à l'arc plasma L'épaisseur de revêtement initial est de 254 microns L'effet du laser a été ajusté de façon que 1 o le faisceau avait une section transversale elliptique avec l'axe principal d'environ 66,0 mm et le petit axe de 254 microns L'énergie était de 5 kw La figure 1 montre les résultats après que le faisceau ait balayé la surface à une vitesse de 254 cm/min Ce traitement résultait en la fjusion créai t de la moitié de l'épaisseur de la couche céramique et/la structure souhaitée de fissures Les fissures s'étendent The result of the process according to the invention is shown in FIGS. 1 and 2. The two figures show a photomicrograph of a section through nickel substrate coated with a ceramic material after fusion of the laser surface. zirconia stabilized by addition of 20% by weight of yttrium and was applied to the substrate by plasma arc spraying The initial coating thickness is 254 microns The effect of the laser was adjusted so that 1 o the beam had an elliptical cross section with the major axis of about 66.0 mm and the minor axis of 254 microns The energy was 5 kw Figure 1 shows the results after the beam swept the surface at a speed of 254 cm / min This treatment resulted in the fjusion created by half the thickness of the ceramic layer and / the desired structure of cracks The cracks extend

au travers de la partie fondue de la partie céramique. through the melted part of the ceramic part.

Ce résultat peut être vu dans la partie fondue de la This result can be seen in the melted part of the

matière céramique La figure 2 montre le résultat du traite- ceramic material Figure 2 shows the result of the treatment

ment qui était identique à celui de la figure 1 à l'exception que la vitesse du faisceau était réduite à 127 cm/min Ceci which was identical to that of Figure 1 except that the beam speed was reduced to 127 cm / min.

résultait en une augmentation substantielle de la profon- resulted in a substantial increase in the depth of

deur de fusion et de nouveau desfissures peuvent être vues melting and new cracks can be seen

S' atendant jusqu'à la profondeur de la partie fondue. Waiting until the depth of the melted part.

Ainsi qu'on l'a indiqué précédemment, les fissures formées par la fusion de la surface peuvent croître davantage dans le revêtement céramique à cause des cycles thermiques Par exemple, en chauffant le substrat enduit fissuréjus-u'à une température de 5380 C et en le trempant ensuite à l'eau, on obtient une croissance d E fissures As previously indicated, cracks formed by the melting of the surface may grow further in the ceramic coating due to thermal cycling. For example, by heating the cracked substrate to a temperature of 5380.degree. by then dipping it with water, we obtain a growth of cracks

jusqu'au substrat ou au revêtement liant. to the substrate or the binder coating.

Le revêtement fissuré selon l'invention trouvera de nombreuses utilisation,3 et est particulièrement prometteur pour être utilisé cormue revêtement de barrière thermique pour protéger les éléments de superalliages dans les moteurs à turbine à gaz Ainsi qu'on l'a indiqué The cracked coating according to the invention will find many uses, and is particularly promising to be used as a thermal barrier coating for protecting superalloy elements in gas turbine engines as indicated.

précédemment, des revêtements existantsobtenus par pulvérisa- previously, existing coatings obtained by spraying

tion à l'arc plasma sont suffisants dans de telles applica- plasma arc is sufficient in such applications.

tions mais la technique selon l'invention peut s'étendre dans le domaine d'application des revêtements de matière céramique Il est envisagé que la présente technique ne doit pas être appliquée à la totalité de la surface de l'article mais peut être limitée à certaines zones o des conditions thermiques extrêmes sont prévues. Bien entendu diverses modifications peuvent être appliquées par l'homme de l'art aux procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non However, the technique according to the invention can extend into the field of application of ceramic coatings. It is envisaged that the present technique should not be applied to the entire surface of the article but may be limited to certain areas where extreme thermal conditions are expected. Of course, various modifications can be applied by those skilled in the art to the processes which have just been described solely as non-exemplary examples.

limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. limiting without departing from the scope of the invention.

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Claims

Revendications:claims:

1 Procédé pour appliquer un revêtement de barrière thermique, céramique, tolérant aux contraintes sur un substrat métallique caractérisé par les étapes de a appliquer un revêtement céramique adhérent Process for applying a heat-resistant, ceramic, stress-tolerant coating on a metal substrate characterized by the steps of applying an adherent ceramic coating

dense sur la surface du substrat-dense on the surface of the substrate-

b chauffer la surface du revêtement céramique sous des conditions qui produisent une fusion de la surface de matière céramique sans évaporisation significative de la matière céramique et sans fusion du substrat métallique; c permettre à la matière céramique fondue de solidifier; de sorte que lors de la solidification de la matière céramique fondue, un réseau de fissures se forme dans cette partie de matière céramique qui a été fondue, ces fissures étant orientéessensiblement perpendiculairement b heating the surface of the ceramic coating under conditions that melt the ceramic surface without significant evaporation of the ceramic material and without melting the metal substrate; c allowing the melted ceramic material to solidify; so that during the solidification of the molten ceramic material, a network of cracks is formed in that portion of ceramic material which has been melted, these cracks being oriented substantially perpendicularly

à la surface de la matière céramique. on the surface of the ceramic material.

2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat enduit est préchauffé jusqu'à une Process according to Claim 1, characterized in that the coated substrate is preheated to a temperature of

température entre environ 4270 C 9820 C avant que le revête- temperature between about 4270 C and 9820 C before the coating

ment de la matière céramique ne soit partiellement fondu. the ceramic material is only partially melted.

3 Procédé pour appliquer un revêtement de barrière thermique, céramique tolérant aux contraintes sur un substrat métallique caractérisé par les étapes de: a appliquer un revêtement céramique adhérent, dense à la surface du substrat; b chauffer la surface du revêtement céramique sous des conditions qui produisent une fusion dela surface A method for applying a stress tolerant ceramic thermal barrier coating to a metal substrate characterized by the steps of: applying a dense, adherent ceramic coating to the surface of the substrate; b heat the surface of the ceramic coating under conditions that melt the surface

céramique sans évaporation significative de la matière céra- without significant evaporation of the ceramic material

mique et sans fusion de substrat métallique; c permettre à la matière céramique fondue de solidifier; d soumettre le substrat enduit de matière céramique partiellement fissuréà un chauffage et refroidisse-' ment cyclique; de sorte que lors de la solidification de la matière céramique fondue un réseau de fissures se forme dans cette nartie de la matière céramique qui a été fondue, ces fissures étant orientées sensiblement perpendiculairement à la surface de la matière céramique; et de sorte nue lors du chauffage et refroidissement cyclique des fissures se and without fusion of metal substrate; c allowing the melted ceramic material to solidify; subjecting the partially cracked ceramic-coated substrate to cyclic heating and cooling; so that during the solidification of the molten ceramic material a network of cracks is formed in this nartie of the ceramic material which has been melted, these cracks being oriented substantially perpendicular to the surface of the ceramic material; and so bare during heating and cyclic cooling of cracks

- il -- he -

propagent vers l'intérieur vers le substrat. propagate inward towards the substrate.

4 Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le substrat revêtu est préchauffé jusqu'à une température entre 4270 C-9820 C avant que le revêtement de 4 Process according to claim 3, characterized in that the coated substrate is preheated to a temperature between 4270 C-9820 C before the coating of

matière céramique ne soit partiellement fondu. ceramic material is only partially melted.

Procédé pour appliquer un revêtement de barrière thermique céramique tolérant aux contraintes sur un substrat métallique caractérisé par les étapes de: a appliquer un revêtement liant métallique sur la surface du substrat; b appliquer un revêtement céramique adhérent dense à la surface du revêtement liant; c chauffer la surface de revêtement céramique sous des conditions qui produisent une fusion de la surface de matière céramique sans évaporation significative dans la matière céramique et sans fusion du substrat métallique; d permettre à la matière céramique fondue de solidifier; de sorte que lors de la solidification de la matière céramique fondue un réseau de fissures se forme dans cette partie de matière céramique qui a été A method for applying a stress-tolerant ceramic thermal barrier coating to a metal substrate characterized by the steps of: applying a metal binder coating to the surface of the substrate; b applying a dense adherent ceramic coating to the surface of the binder coating; c heating the ceramic coating surface under conditions that melt the ceramic material surface without significant evaporation in the ceramic material and without melting the metal substrate; allowing the melted ceramic material to solidify; so that during the solidification of the molten ceramic material a network of cracks is formed in that part of ceramic material which has been

fondue, ces fissures étant orientes sensiblement perpendi- melted, these cracks being oriented substantially perpendicular

culairement à la surface de la matière céramique. culairement on the surface of the ceramic material.

6 Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le substrat revêtu est préchauffé jusqu'à une température entre 4270 C 9820 C avant que le revêtement de Process according to claim 5, characterized in that the coated substrate is preheated to a temperature between 4270 C and 9820 C before the coating of

7 Procédé pour appliquer un revêtement de barrière thermique céramique tolérant aux contraintes sur un substrat métallique caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de: a appliquer un revêtement liant métallique sur la surface du substrat, b appliquer un revêtement céramique adhérent dense sur la surface de revêtement liant; c chauffer la surface de revêtement liant sous des conditions qui produisent la fusion de la surface de matière céramique sans évaporation significative de la matière céramique et sans fusion du substrat métallique; d permettre à la matière céramique fondue 12 - de solidifier; e soumettre le substrat enduit partiellement fissuré à un chauffage et refroidissement cyclique de sorte que lors de la solidification de la matière céramique fondue un réseau de fissures se forme dans cette partie de matière céramique qui a été fondue, ces fissures étant orientées sensiblement perpendiculairement à la surface de la matière céramique et de sorte que lors du chauffage et refroidissement cyclique les fissures se propagent vers A process for applying a stress-tolerant ceramic thermal barrier coating to a metal substrate characterized in that it comprises the steps of: applying a metal binder coating to the surface of the substrate, b applying a dense adherent ceramic coating to the surface binder coating; c heating the binder coating surface under conditions that melt the ceramic material surface without significant evaporation of the ceramic material and without melting the metal substrate; allowing the melted ceramic material to solidify; subjecting the partially cracked coated substrate to cyclic heating and cooling so that during the solidification of the molten ceramic material a network of cracks is formed in that part of ceramic material which has been melted, these cracks being oriented substantially perpendicular to the surface of the ceramic material and so that during heating and cyclic cooling the cracks propagate towards

l'intérieur, vers le substrat.inside, towards the substrate.

8 Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le substrat enduit est préchauffé jusqu'à une Process according to Claim 7, characterized in that the coated substrate is preheated to a temperature of

température entre environ 4270 C 9820 C avant que le revê- temperature between about 4270 C and 9820 C before the coating

tement de la matière céramique ne soit partiellement fondu. the ceramic material is only partially melted.