WO2020002799A1 - Procede de fabrication d'une couche abradable - Google Patents

Procede de fabrication d'une couche abradable Download PDF

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WO2020002799A1
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substrate
ceramic particles
abradable layer
pulverulent composition
micrometric
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PCT/FR2019/051510
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Serge Georges Vladimir SELEZNEFF
Philippe Charles Alain Le Biez
Arnaud Louis Gabriel FREGEAC
Florence Ansart
Claude Gilbert Jean-Pierre ESTOURNES
Original Assignee
Safran Aircraft Engines
Centre National De La Recherche Scientifique
Universite Paul Sabatier - Toulouse Iii
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    • F05D2300/2118—Zirconium oxides

Definitions

  • the present invention relates to a method of manufacturing an abradable layer and a substrate coated with this abradable layer.
  • a ceramic coating or based on refractory metals is usually formed by thermal spraying on the static parts that are the ring sectors, to form a protective coating of thermal barrier type.
  • the coatings thus obtained may not have very high abradability, which can lead to wear of the tips of the blades in operation, leading to complex and costly repairs.
  • the invention relates to a method for manufacturing an abradable layer, comprising the following steps:
  • a pulverulent composition comprising at least micrometric ceramic particles having a number-average form factor greater than or equal to 3, the mass content of said micrometric ceramic particles in the pulverulent composition being greater than or equal to 85%, and
  • the number average form factor corresponds to the number average value of the following ratio R calculated for each particle of a given set of particles, with R denoting the ratio [largest dimension of the particle] / [more large transverse dimension of the particle].
  • the use of the pulverulent composition defined above and of a pressure sintering technique advantageously makes it possible to obtain a layer having both good abradability and good resistance to erosion.
  • the inventors have found that the abradable layers formed by pressure sintering have a better resistance to erosion compared to the layers formed by plasma spraying at equal porosity rate or, even in certain cases, if the porosity rate is superior.
  • the pulverulent composition further comprises nanometric ceramic particles having a number form factor of between 0.7 and 1.3, preferably between 1.0 and 1.3, the mass content of said particles nanometric ceramics in the pulverulent composition being less than or equal to 15%.
  • nanometric ceramic particles in the contents indicated advantageously makes it possible to further improve the resistance to erosion of the abradable layer obtained without affecting the abradability.
  • the mass content of said nanometric ceramic particles in the pulverulent composition can be between 1% and 10%.
  • the presence of nanometric ceramic particles is however not compulsory insofar as, according to a variant, the pulverulent composition consists essentially of said micrometric ceramic particles.
  • the mass content of said micrometric ceramic particles in the pulverulent composition is greater than or equal to 90%.
  • said micrometric ceramic particles comprise at least acicular particles having a number-average form factor of between 3 and 5.
  • said micrometric ceramic particles comprise at least fibrous particles having a factor of medium form in number strictly greater than 5.
  • the volume porosity rate of the abradable layer is greater than or equal to 20%.
  • volume porosity rate is understood to mean the ratio between the volume of the interstitial spaces separating the grains of the material considered and the overall volume of said material.
  • Such a porosity rate is advantageous in order to further improve the abradability of the layer formed.
  • a compression pressure of between 12.5 MPa and 100 MPa is applied to the pulverulent composition during sintering.
  • Such values for the compression pressure participate in optimizing the porosity rate of the abradable layer, and in optimizing the abradability / erosion resistance compromise.
  • the duration of the sintering is between 1 minute and 10 minutes.
  • Such values for the duration of sintering participate in optimizing the porosity rate of the abradable layer, and in optimizing the abradability / erosion resistance compromise.
  • the temperature imposed during sintering is between 900 ° C and 1150 ° C.
  • the pulverulent composition is sintered by flash sintering technique ("Spark Plasma Sintering";
  • the invention also relates to a method of manufacturing a substrate coated with an abradable layer, the substrate being a part of a turbomachine and the method comprising:
  • This variant relates to the case where the pulverulent composition is first deposited on the substrate, then where the abradable layer is formed directly on the substrate by pressure sintering of the pulverulent composition deposited.
  • the invention also relates to a method of manufacturing a substrate coated with an abradable layer, the substrate being a part of a turbomachine and the method comprising:
  • This variant relates to the case where the abradable layer is first formed, then this abradable layer is deposited on the substrate and then secured to the latter.
  • the substrate is metallic, and said micrometric ceramic particles, as well as said nanometric ceramic particles which may be present, comprise at least zirconia, for example yttria zirconia ("Yttria Stabilized Zirconia”; “YSZ”) or partially zirconia stabilized with yttrium (“Yttria-Partially Stabilized Zirconia”; “YSPZ”) or a mixture of zirconia and alumina, or
  • the substrate is made of a ceramic matrix composite material (“Ceramic Matrix Composite”; “CMC”), and said particles micrometric ceramics, as well as said nanometric ceramic particles which may be present, are made of rare earth silicate.
  • CMC Ceramic Matrix Composite
  • the substrate is a sector of a turbine or compressor ring.
  • FIG. 1 is a sectional plan of a turbomachine
  • FIG. 2 is a partial perspective and schematic view of an example of a substrate coated by the method according to the invention
  • FIGS. 3A and 3B schematically illustrate several successive stages of an example of a method according to the invention
  • FIGS. 4A to 4C are photographs using a scanning electron microscope of particles that can be used in the pulverulent composition in the context of the invention.
  • FIGS. 5A and 5B illustrate an example of evolution of the temperature and of the compression pressure which can be implemented within the framework of a method according to the invention
  • FIG. 6 is a photograph illustrating the result obtained within the framework of an abradability test for a layer formed within the framework of the invention
  • FIG. 7 is a photograph illustrating the state of the tips of the blades obtained following the abradability test of FIG. 6,
  • FIG. 8 is a photograph illustrating the result obtained within the framework of an abradability test for a layer formed within the framework of a process outside the invention
  • FIG. 9 is a photograph illustrating the state of the tips of the blades obtained following the abradability test in FIG. 8.
  • Figure 1 shows, in section along a vertical plane passing through its main axis A, a turbofan engine 1. It comprises, from upstream to downstream according to the circulation of the air flow, a blower 2, a low pressure compressor 3, a high pressure compressor 4, a combustion chamber 5, a high pressure turbine 6, and a low pressure turbine 7.
  • the high pressure turbine 6 comprises a plurality of vanes 6a rotating with the rotor and rectifiers 6b mounted on the stator.
  • the stator of the turbine 6 comprises a plurality of stator rings arranged opposite the movable blades 6a of the turbine 6.
  • FIG. 2 illustrates a stator ring, which is divided into several sectors each comprising a substrate 10 coated with an abradable layer 12. The movable vanes 6a of the rotor rub on the abradable layer 12 in the event of a radial incursion of the rotor.
  • FIGS. 3A and 3B schematically illustrate the implementation of an example of a method according to the invention.
  • the substrate 10 to be coated is placed in the cavity of a mold 20.
  • the pulverulent composition 30 is then deposited on a surface S of the substrate 10.
  • the mold 20 is then closed.
  • a bearing face of its cover 25 is applied against the layer of pulverulent composition 30 so as to compress the latter on the substrate 10.
  • the compression pressure applied to the pulverulent composition 30 may be a uniaxial pressure.
  • the thickness of the layer of powder composition 30 is thus reduced due to the compression between the substrate 10 and the cover 25.
  • the powder composition 30 undergoing the compression pressure is then sintered.
  • the abradable layer 12 is obtained at the end of this sintering step.
  • the particles forming the pulverulent composition 30 can be made of a thermal barrier material, such as yttria zirconia, zirconia partially stabilized with yttrium, in a mixture comprising zirconia and alumina or a rare earth silicate, for example a mono-silicate or a rare earth disilicate.
  • a flash sintering technique can be used to produce the abradable layer 12.
  • the abradable layer 12 obtained has a substantially uniform density.
  • the abradable layer 12 is first possible to form the abradable layer 12 on a support separate from the substrate by implementing the pressure sintering method which has been described above.
  • the abradable layer 12 thus formed is then separated from the support to be positioned on the surface S of the substrate 10.
  • This abradable layer 12 thus positioned is then secured to the surface S of the substrate 10 in order to obtain the coated substrate.
  • This joining can be carried out by brazing, sintering or using added elements (bolting for example).
  • the abradable layer 12 formed is particularly suitable for equipping high or low pressure turbine rings or compressor rings, for example in the aeronautical field, and very particularly in aircraft turbojets.
  • the substrate 10 can be a part for a turbomachine.
  • the substrate 10 can be made of metallic material, for example superalloy.
  • the substrate 10 can for example be formed by one of the following materials: AMI alloy, C263 alloy or M509 alloy.
  • the substrate 10 can be made of CMC material.
  • the substrate 10 may comprise a woven fibrous reinforcement, formed of carbon fibers or silicon carbide, densified by a ceramic matrix, comprising for example silicon carbide.
  • a woven fibrous reinforcement formed of carbon fibers or silicon carbide, densified by a ceramic matrix, comprising for example silicon carbide.
  • the substrate 10 can be coated with a bonding layer (not shown) which the abradable layer 12 is intended to coat.
  • a bonding layer (not shown) which the abradable layer 12 is intended to coat.
  • a metallic substrate it is possible, for example, to use an MCrAlY bonding layer, for example a CoNiCrAlY bonding layer.
  • a CMC substrate it is possible to use a bonding layer of mullite, for example.
  • the mass content of the micrometric ceramic particles having an average form factor in number greater than or equal to 3 in this composition is greater than or equal to 85%. This mass content may be greater than or equal to 90%, preferably greater than or equal to 95%.
  • the micrometric ceramic particles may comprise needle-like particles having a number average form factor of between 3 and 5, fibrous particles having a number average form factor greater than 5 or a mixture of such particles.
  • the number-average form factor of the fibrous particles can, in particular, be between 15 and 25.
  • all of the micrometric ceramic particles can consist of the fibrous particles. According to another particular variant, all of the micrometric ceramic particles can be constituted by the needle-like particles. According to yet another particular variant, all of the micrometric ceramic particles can be constituted by a mixture of needle-like particles and fibrous particles.
  • the needle-like particles may have an average diameter in the non-agglomerated state (or average width) greater than or equal to 15 ⁇ m, for example between 15 ⁇ m and 35 ⁇ m.
  • the needle-like particles can have an average length greater than or equal to 55 ⁇ m, for example between 55 ⁇ m and 75 ⁇ m.
  • the mean diameter and mean length can be measured using a field effect scanning electron microscope ("SEM-FEG").
  • the average diameter and the average length correspond to number averages.
  • the needle-like particles which can be used in the context of the invention can be obtained by the sol-gel route under the conditions described in the following article: C. Viazzi & al., 2006, Solid State Sciences 8 1023-1028, “Synthesis of Yttria StabiHzed Zirconia by soi-gei route: Influence of experimental parameters and large scaie production ”.
  • the fibrous particles can have an average diameter in the non-agglomerated state (or average width) greater than or equal to 6 ⁇ m, for example between 6 ⁇ m and 8 ⁇ m.
  • the fibrous particles may have an average length greater than or equal to 125 ⁇ m, for example between 125 ⁇ m and 215 ⁇ m.
  • fibrous particles which can be used in the context of the invention, mention may be made of the particles sold under the reference ZYBF-5 (CF010) by the company Zircar.
  • the pulverulent composition may comprise nanometric ceramic particles having a number-average form factor of between 0.7 and 1.3, preferably between 1.0 and 1.3, and present in a limited amount, so as not to degrade the abradability of the layer obtained.
  • the mass content of the nanometric ceramic particles in the pulverulent composition is preferably less than or equal to 10%, preferably less than or equal to 5%.
  • the mass content of the nanometric ceramic particles in the pulverulent composition can, for example, be between 1% and 15%, for example between 5% and 15%, for example between 5% and 10% or between 10% and 15%.
  • the mass content of the nanometric ceramic particles in the pulverulent composition can, for example, be between 1% and 10%, for example between 1% and 5%.
  • the nanometric ceramic particles may have an average diameter in the non-agglomerated state less than or equal to 70 nm, for example between 30 nm and 70 nm.
  • the nanometric ceramic particles can have a number-average form factor of between 0.9 and 1.1, preferably between 1.0 and 1.1, for example substantially equal to 1.
  • the nanometric ceramic particles can thus have a shape substantially spherical.
  • the pulverulent composition 30 can consist essentially of the micrometric ceramic particles, and the nanometric ceramic particles which may be present.
  • FIGS. 4A to 4C photographs of particles usable in the context of the invention are provided in FIGS. 4A to 4C.
  • FIG. 4A is a photograph of nanometric ceramic particles having a substantially spherical shape and a form factor substantially equal to 1.
  • FIG. 4B is a photograph of acicular micrometric ceramic particles having a number form factor between 3 and 5.
  • FIG. 4C is a photograph of micrometric fibrous ceramic particles having a number form factor strictly greater than 5.
  • the volume porosity rate of the abradable layer can be greater than or equal to 20%, for example 30%, for example greater than or equal to 35%. This volume porosity rate can be between 20% and 50%, for example between 30% and 50%, for example between 35% and 50%.
  • the modification of the temperature imposed during sintering, of the duration of sintering and / or of the compression pressure applied makes it possible to vary the volume porosity rate of the abradable layer 12 obtained. Increasing the temperature, the duration of sintering and / or the compression pressure thus makes it possible to reduce the volume porosity rate of the abradable layer 12.
  • FIGS. 5A and 5B show a possible example of changes in the compression pressure and the temperature during the manufacture of the abradable layer 12.
  • the compression pressure Pc imposed on the pulverulent composition 30 during sintering can be less than or equal to 100 MPa, for example less than or equal to 50 MPa.
  • This compression pressure Pc can be between 12.5 MPa and 100 MPa, for example between 25 MPa and 100 MPa, for example between 25 MPa and 50 MPa or between 50 MPa and 100 MPa.
  • the compression pressure Pc is maintained throughout the duration of the sintering of the pulverulent composition 30.
  • the temperature imposed on the substrate 10 and on the pulverulent composition 30 is increased up to the sintering temperature T f .
  • the temperature reaches the sintering temperature T f at a second instant t 2 and is then maintained at this value.
  • the sintering temperature T f depends on the nature of the pulverulent composition used. This sintering temperature T f can be between 900 ° C and 1150 ° C, for example between 1050 ° C and 1150 ° C.
  • a first temperature rise speed is imposed between the first temperature Ti and a second higher temperature T2 reached at the intermediate instant t , then a second temperature rise speed, lower than the first speed temperature rise, between the second temperature T 2 and the sintering temperature T f .
  • the first temperature rise speed may be greater than or equal to 100 ° C./minute and the second temperature rise speed may be less than or equal to 50 ° C./minute.
  • the second temperature T 2 may be greater than or equal to 1000 ° C. It is not, however, outside the scope of the invention when the rate of temperature rise is constant between the first temperature Ti and the sintering temperature T f .
  • a pulverulent composition formed at 100% by mass of micrometric fibers of yttria zirconia marketed under the reference ZYBF-5 (CFO 10) by the company Zircar was formed by flash sintering by imposing the following conditions:
  • the layer obtained had a volume porosity rate of approximately 50%.
  • a pulverulent composition comprising the following mixture was sintered by flash sintering:

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'une couche abradable (12), comprenant les étapes suivantes : - compression d'une composition pulvérulente (30) comprenant au moins des particules céramiques micrométriques ayant un facteur de forme moyen en nombre supérieur ou égal à 3, la teneur massique desdites particules céramiques micrométriques dans la composition pulvérulente étant supérieure ou égale à 85%, et - frittage de la composition pulvérulente ainsi comprimée pour obtenir la couche abradable.

Description

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE COUCHE ABRADABLE
La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une couche abradable et d'un substrat revêtu par cette couche abradable.
Arrière-plan de l'invention
Les couches abradables sont actuellement utilisées dans les turbines à gaz pour minimiser le jeu fonctionnel, et donc les fuites, entre les parties en rotation et les parties statiques. Pour l'application turbine haute pression, les joints abradables sont déposés sur des secteurs d'anneaux rapportés sur le carter. Lors d'un contact des aubes de turbines avec le matériau abradable, ce dernier devrait s'user en priorité ce qui permettrait de maintenir les performances aérodynamiques du moteur.
Cependant, il est aussi nécessaire de protéger le substrat des fortes températures, qui peuvent atteindre 1600°C, et de l'érosion par le flux de gaz débouchant à fortes température et pression. Dans cette optique, un revêtement céramique ou à base de métaux réfractaires est habituellement formé par projection thermique sur les parties statiques que sont les secteurs d'anneaux, pour former un revêtement de protection de type barrière thermique. Toutefois, les revêtements ainsi obtenus peuvent ne pas présenter une très forte abradabilité, ce qui peut conduire à des usures des sommets d'aubes en fonctionnement, entraînant des réparations complexes et coûteuses.
Afin d'augmenter le caractère abradable des barrières thermiques, diverses solutions ont été envisagées dans l'état de l'art. A ce titre, on peut citer l'incorporation d'agents porogènes en vue d'augmenter le taux de porosité de la barrière. Ces solutions peuvent toutefois ne pas donner entière satisfaction car elles peuvent conduire à dégrader significativement la tenue en érosion du revêtement et donc la durée de vie de la barrière et du substrat sous-jacent.
Il existe donc un besoin pour fournir un procédé de fabrication d'une couche abradable ayant à la fois une bonne abradabilité et une bonne résistance à l'érosion. Objet et résumé de l'invention
L'invention vise un procédé de fabrication d'une couche abradable, comprenant les étapes suivantes :
- compression d'une composition pulvérulente comprenant au moins des particules céramiques micrométriques ayant un facteur de forme moyen en nombre supérieur ou égal à 3, la teneur massique desdites particules céramiques micrométriques dans la composition pulvérulente étant supérieure ou égale à 85%, et
- frittage de la composition pulvérulente ainsi comprimée pour obtenir la couche abradable.
Sauf mention contraire, le facteur de forme moyen en nombre correspond à la valeur moyenne en nombre du rapport R suivant calculé pour chaque particule d'un ensemble donné de particules, avec R désignant le rapport [plus grande dimension de la particule] / [plus grande dimension transversale de la particule].
L'emploi de la composition pulvérulente définie ci-dessus et d'une technique de frittage sous pression permet avantageusement d'obtenir une couche ayant à la fois une bonne abradabilité et une bonne résistance à l'érosion. En outre, les inventeurs ont constaté que les couches abradables formées par frittage sous pression ont une meilleure résistance à l'érosion par rapport aux couches formées par projection plasma à taux de porosité égal ou, même dans certains cas, si le taux de porosité est supérieur.
Dans un exemple de réalisation, la composition pulvérulente comprend en outre des particules céramiques nanométriques ayant un facteur de forme moyen en nombre compris entre 0,7 et 1,3, de préférence entre 1,0 et 1,3, la teneur massique desdites particules céramiques nanométriques dans la composition pulvérulente étant inférieure ou égale à 15%.
La présence des particules céramiques nanométriques dans les teneurs indiquées permet avantageusement d'améliorer davantage encore la résistance à l'érosion de la couche abradable obtenue sans affecter l'abradabilité.
En particulier, la teneur massique desdites particules céramiques nanométriques dans la composition pulvérulente peut être comprise entre 1% et 10%. La présence de particules céramiques nanométriques n'est toutefois pas obligatoire dans la mesure où, selon une variante, la composition pulvérulente est constituée essentiellement par lesdites particules céramiques micrométriques.
Dans un exemple de réalisation, la teneur massique desdites particules céramiques micrométriques dans la composition pulvérulente est supérieure ou égale à 90%.
Dans un exemple de réalisation, lesdites particules céramiques micrométriques comprennent au moins des particules aciculaires ayant un facteur de forme moyen en nombre compris entre 3 et 5. En variante ou en combinaison, lesdites particules céramiques micrométriques comprennent au moins des particules fibreuses ayant un facteur de forme moyen en nombre strictement supérieur à 5.
Dans un exemple de réalisation, le taux de porosité volumique de la couche abradable est supérieur ou égal à 20%.
On entend par « taux de porosité volumique » le rapport entre le volume des espaces interstitiels séparant les grains du matériau considéré et le volume global dudit matériau.
Un tel taux de porosité est avantageux afin d'améliorer davantage encore l'abradabilité de la couche formée.
Dans un exemple de réalisation, une pression de compression comprise entre 12,5 MPa et 100 MPa est appliquée sur la composition pulvérulente durant le frittage.
De telles valeurs pour la pression de compression participent à optimiser le taux de porosité de la couche abradable, et à optimiser le compromis abradabilité / résistance à l'érosion.
Dans un exemple de réalisation, la durée du frittage est comprise entre 1 minute et 10 minutes.
De telles valeurs pour la durée du frittage participent à optimiser le taux de porosité de la couche abradable, et à optimiser le compromis abradabilité / résistance à l'érosion.
Dans un exemple de réalisation, la température imposée durant le frittage est comprise entre 900°C et 1150°C.
De telles valeurs pour la température imposée lors du frittage participent à optimiser le taux de porosité de la couche abradable, et à optimiser le compromis abradabilité / résistance à l'érosion. Dans un exemple de réalisation, la composition pulvérulente est frittée par technique de frittage flash (« Spark Plasma Sintering » ;
« SPS »).
L'invention vise également un procédé de fabrication d'un substrat revêtu par une couche abradable, le substrat étant une pièce de turbomachine et le procédé comprenant :
- le dépôt de la composition pulvérulente sur une surface du substrat, et
- la formation de la couche abradable sur le substrat à partir de la composition pulvérulente ainsi déposée par mise en œuvre d'un procédé tel que décrit plus haut.
Cette variante concerne le cas où l'on dépose d'abord la composition pulvérulente sur le substrat, puis où l'on forme la couche abradable directement sur le substrat par frittage sous pression de la composition pulvérulente déposée.
En variante, l'invention vise également un procédé de fabrication d'un substrat revêtu par une couche abradable, le substrat étant une pièce de turbomachine et le procédé comprenant :
- la formation de la couche abradable par mise en œuvre d'un procédé tel que décrit plus haut,
- le dépôt de la couche abradable ainsi formée sur une surface du substrat, et
- la solidarisation de la couche abradable ainsi déposée à la surface du substrat.
Cette variante concerne le cas où l'on forme d'abord la couche abradable, puis cette couche abradable est déposée sur le substrat et ensuite solidarisée à ce dernier.
Dans un exemple de réalisation, l'une des deux conditions suivantes est vérifiée :
- le substrat est métallique, et lesdites particules céramiques micrométriques, ainsi que lesdites particules céramiques nanométriques éventuellement présentes, comprennent au moins de la zircone, par exemple de la zircone yttriée (« Yttria Stabilized Zirconia » ; « YSZ ») ou de la zircone partiellement stabilisée à l'yttrium (« Yttria-Partially Stabilized Zirconia » ; « YSPZ ») ou encore un mélange de zircone et d'alumine, ou
- le substrat est en matériau composite à matrice céramique (« Ceramic Matrix Composite » ; « CMC »), et lesdites particules céramiques micrométriques, ainsi que lesdites particules céramiques nanométriques éventuellement présentes, sont en silicate de terre rare.
De telles combinaisons de matériaux de substrat et de couche abradable sont avantageuses car elles permettent de minimiser les dilatations différentielles en fonctionnement.
Dans un exemple de réalisation, le substrat est un secteur d'anneau de turbine ou de compresseur.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre non limitatif, en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 est un plan en coupe d'une turbomachine,
- la figure 2 est une vue partielle en perspective et schématique d'un exemple de substrat revêtu par le procédé selon l'invention,
- les figures 3A et 3B illustrent, de manière schématique, plusieurs étapes successives d'un exemple de procédé selon l'invention,
- les figures 4A à 4C sont des photographies au microscope électronique à balayage de particules pouvant être mises en oeuvre dans la composition pulvérulente dans le cadre de l'invention,
- les figures 5A et 5B illustrent un exemple d'évolution de la température et de la pression de compression pouvant être mis en oeuvre dans le cadre d'un procédé selon l'invention,
- la figure 6 est une photographie illustrant le résultat obtenu dans le cadre d'un essai d'abradabilité pour une couche formée dans le cadre de l'invention,
- la figure 7 est une photographie illustrant l'état des sommets d'aubes obtenu suite à l'essai d'abradabilité de la figure 6,
- la figure 8 est une photographie illustrant le résultat obtenu dans le cadre d'un essai d'abradabilité pour une couche formée dans le cadre d'un procédé hors invention, et - la figure 9 est une photographie illustrant l'état des sommets d'aubes obtenu suite à l'essai d'abradabilité de la figure 8.
Description détaillée de modes de réalisation
La figure 1 représente, en coupe selon un plan vertical passant par son axe principal A, un turboréacteur à double flux 1. Il comporte, d’amont en aval selon la circulation du flux d’air, une soufflante 2, un compresseur basse pression 3, un compresseur haute pression 4, une chambre de combustion 5, une turbine haute pression 6, et une turbine basse pression 7.
La turbine haute pression 6 comprend une pluralité d’aubes 6a tournant avec le rotor et de redresseurs 6b montés sur le stator. Le stator de la turbine 6 comprend une pluralité d’anneaux de stator disposés en vis-à-vis des aubes mobiles 6a de la turbine 6. La figure 2 illustre un anneau de stator, lequel est divisé en plusieurs secteurs comprenant chacun un substrat 10 revêtu d'une couche abradable 12. Les aubes mobiles 6a du rotor viennent frotter sur la couche abradable 12 en cas d’incursion radiale du rotor.
Un exemple de réalisation de la couche abradable 12 va être décrit en lien avec les figures 3A et 3B. Ces figures 3A et 3B illustrent de manière schématique la réalisation d'un exemple de procédé selon l'invention.
Le substrat 10 à revêtir est disposé dans la cavité d'un moule 20. La composition pulvérulente 30 est alors déposée sur une surface S du substrat 10. Comme cela est représenté à la figure 3B, le moule 20 est ensuite refermé. Une face d'appui de son couvercle 25 s'applique contre la couche de composition pulvérulente 30 de sorte à comprimer celle-ci sur le substrat 10. La pression de compression appliquée sur la composition pulvérulente 30 peut être une pression uniaxiale. L'épaisseur de la couche de composition pulvérulente 30 est ainsi réduite du fait de la compression entre le substrat 10 et le couvercle 25. La composition pulvérulente 30 subissant la pression de compression est ensuite frittée. La couche abradable 12 est obtenue à l'issue de cette étape de frittage. Les particules formant la composition pulvérulente 30 peuvent être en un matériau de barrière thermique, comme la zircone yttriée, la zircone partiellement stabilisée à l'yttrium, en un mélange comprenant de la zircone et de l'alumine ou en un silicate de terre rare, par exemple un mono-silicate ou un disilicate de terre rare. On peut mettre en oeuvre une technique de frittage flash (« SPS ») pour réaliser la couche abradable 12.
Dans l'exemple illustré, la couche abradable 12 obtenue a une densité sensiblement uniforme. On pourrait en variante former des couches abradables à densité variable tels que décrits dans WO 2017/103420.
On décrit en lien avec les figures un exemple dans lequel la couche abradable 12 est directement formée sur le substrat 10 à partir de la composition pulvérulente 30 déposée au préalable sur le substrat 10.
Dans une variante non illustrée, on peut d'abord former la couche abradable 12 sur un support distinct du substrat par mise en œuvre du procédé de frittage sous pression qui a été décrit plus haut. Selon cette variante, la couche abradable 12 ainsi formée est ensuite séparée du support pour être positionnée sur la surface S du substrat 10. Cette couche abradable 12 ainsi positionnée est ensuite solidarisée à la surface S du substrat 10 afin d'obtenir le substrat revêtu. Cette solidarisation peut être effectuée par brasage, frittage ou à l'aide d'éléments rapportés (boulonnage par exemple).
La couche abradable 12 formée est tout particulièrement adaptée pour équiper les anneaux de turbine haute ou basse pression ou les anneaux de compresseur, par exemple dans le domaine aéronautique, et tout particulièrement dans les turboréacteurs d'avion.
Différents détails relatifs au substrat 10, à la composition pulvérulente 30 et aux paramètres opératoires pouvant être imposés durant le procédé vont à présent être décrits.
Le substrat 10 peut être une pièce pour une turbomachine. Le substrat 10 peut être en matériau métallique, par exemple en superalliage. Lorsque le substrat 10 est en matériau métallique, ce dernier peut par exemple être formé par l'un des matériaux suivants : alliage AMI, alliage C263 ou alliage M509.
En variante, le substrat 10 peut être en matériau CMC. Dans ce cas, le substrat 10 peut comporter un renfort fibreux tissé, formé de fibres de carbone ou de carbure de silicium, densifié par une matrice céramique, comprenant par exemple du carbure de silicium. Un exemple détaillé de fabrication de secteurs d'anneau en CMC est notamment décrit dans le document US 2012/0027572.
Le substrat 10 peut être revêtu d'une couche d'accrochage (non représentée) que la couche abradable 12 est destinée à revêtir. Dans le cas d'un substrat 10 métallique, on peut par exemple utiliser une couche d'accrochage MCrAlY, par exemple une couche d'accrochage CoNiCrAlY. Dans le cas d'un substrat en CMC, on peut utiliser une couche d'accrochage de mullite, par exemple.
Concernant la composition pulvérulente 30, il a été indiqué plus haut que la teneur massique des particules céramiques micrométriques ayant un facteur de forme moyen en nombre supérieur ou égal à 3 dans cette composition est supérieure ou égale à 85%. Cette teneur massique peut être supérieure ou égale à 90%, de préférence supérieure ou égale à 95%.
Comme indiqué plus haut, les particules céramiques micrométriques peuvent comporter des particules aciculaires ayant un facteur de forme moyen en nombre compris entre 3 et 5, des particules fibreuses ayant un facteur de forme moyen en nombre supérieur à 5 ou un mélange de telles particules. Le facteur de forme moyen en nombre des particules fibreuses peut, en particulier, être compris entre 15 et 25.
Selon une variante particulière, l'intégralité des particules céramiques micrométriques peut être constituée par les particules fibreuses. Selon une autre variante particulière, l'intégralité des particules céramiques micrométriques peut être constituée par les particules aciculaires. Selon encore une autre variante particulière, l'intégralité des particules céramiques micrométriques peut être constituée par un mélange des particules aciculaires et des particules fibreuses.
Les particules aciculaires peuvent avoir un diamètre moyen à l'état non aggloméré (ou largeur moyenne) supérieur ou égal à 15 pm, par exemple compris entre 15 pm et 35 pm. Les particules aciculaires peuvent avoir une longueur moyenne supérieure ou égale à 55 pm, par exemple comprise entre 55 pm et 75 pm.
Le diamètre moyen et la longueur moyenne peuvent être mesurés à l'aide d'un microscope électronique à balayage à effet de champ (« MEB-FEG »). Le diamètre moyen et la longueur moyenne correspondent à des moyennes en nombre. Les particules aciculaires utilisables dans le cadre de l'invention peuvent être obtenues par voie sol-gel dans les conditions décrites dans l'article suivant : C. Viazzi & al., 2006, Solid State Sciences 8 1023-1028, « Synthesis of Yttria StabiHzed Zirconia by soi-gei route: Influence of experimental parameters and large scaie production ».
A titre d'exemple, une succession d'étapes possibles pour synthétiser des particules aciculaires de zircone yttriée utilisables dans le cadre de l'invention est fournie ci-dessous :
- mélange d'acétyl-acétone dans du 1-propanol et de propoxyde de zirconium (Zr(OC3H7)4), puis mélange sous agitation dans du 1-propanol,
- mélange de la composition ainsi obtenue avec une solution de nitrate d'yttrium à 0,5 mol/L dans du 1-propanol, puis mélange sous agitation dans du 1-propanol,
- mélange de la composition ainsi obtenue avec de l'eau à 10 mol/L dans du 1-propanol pendant 15 minutes à 20°C afin d'obtenir dans un premier temps un sol puis un gel,
- séchage conventionnel du gel à 70°C pendant 24 heures afin d'obtenir un xérogel,
- traitement thermique du xérogel obtenu à 1000°C pendant 2 heures afin d'obtenir les particules aciculaires de zircone yttriée.
Les particules fibreuses peuvent avoir un diamètre moyen à l'état non aggloméré (ou largeur moyenne) supérieur ou égal à 6 pm, par exemple compris entre 6 pm et 8 pm. Les particules fibreuses peuvent avoir une longueur moyenne supérieure ou égale à 125 pm, par exemple comprise entre 125 pm et 215 pm.
A titre d'exemple de particules fibreuses utilisables dans le cadre de l'invention, on peut citer les particules commercialisées sous la référence ZYBF-5 (CF010) par la société Zircar.
Comme indiqué plus haut, la composition pulvérulente peut comporter des particules céramiques nanométriques ayant un facteur de forme moyen en nombre compris entre 0,7 et 1,3, de préférence entre 1,0 et 1,3, et présentes en une quantité limitée, afin de ne pas dégrader l'abradabilité de la couche obtenue. La teneur massique des particules céramiques nanométriques dans la composition pulvérulente est, de préférence, inférieure ou égale à 10%, de préférence inférieure ou égale à 5%.
La teneur massique des particules céramiques nanométriques dans la composition pulvérulente peut, par exemple, être comprise entre 1% et 15%, par exemple entre 5% et 15%, par exemple entre 5% et 10% ou entre 10% et 15%. La teneur massique des particules céramiques nanométriques dans la composition pulvérulente peut, par exemple, être comprise entre 1% et 10%, par exemple entre 1% et 5%.
Les particules céramiques nanométriques peuvent avoir un diamètre moyen à l'état non aggloméré inférieur ou égal à 70 nm, par exemple compris entre 30 nm et 70 nm.
Les particules céramiques nanométriques peuvent avoir un facteur de forme moyen en nombre compris entre 0,9 et 1,1, de préférence entre 1,0 et 1,1, par exemple sensiblement égal à 1. Les particules céramiques nanométriques peuvent ainsi avoir une forme sensiblement sphérique.
A titre d'exemple de particules céramiques nanométriques utilisables, on peut citer les particules commercialisées sous la référence Zirconia TZ 6Y par la société Tosoh.
La composition pulvérulente 30 peut être constituée essentiellement par les particules céramiques micrométriques, et les particules céramiques nanométriques éventuellement présentes.
A titre d'illustration, des photographies de particules utilisables dans le cadre de l'invention sont fournies aux figures 4A à 4C. La figure 4A est une photographie de particules céramiques nanométriques ayant une forme sensiblement sphérique et un facteur de forme sensiblement égal à 1. La figure 4B est une photographie de particules céramiques micrométriques aciculaires ayant un facteur de forme moyen en nombre compris entre 3 et 5. La figure 4C est une photographie de particules céramiques micrométriques fibreuses ayant un facteur de forme moyen en nombre strictement supérieur à 5.
Différents détails relatifs au substrat 10 et à la composition pulvérulente 30 viennent d'être décrits. On va maintenant décrire des détails relatifs à la couche abradable 12 pouvant être obtenue ainsi qu'aux conditions opératoires pouvant être mises en oeuvre. Le taux de porosité volumique de la couche abradable peut être supérieur ou égal à 20%, par exemple à 30%, par exemple supérieur ou égal à 35%. Ce taux de porosité volumique peut être compris entre 20% et 50%, par exemple entre 30% et 50%, par exemple entre 35% et 50%.
La modification de la température imposée durant le frittage, de la durée du frittage et/ou de la pression de compression appliquée permet de faire varier le taux de porosité volumique de la couche abradable 12 obtenue. L'augmentation de la température, de la durée du frittage et/ou de la pression de compression permet ainsi de diminuer le taux de porosité volumique de la couche abradable 12.
On a représenté aux figures 5A et 5B un exemple possible d'évolution de la pression de compression et de la température durant la fabrication de la couche abradable 12.
L'ensemble du substrat 10 et de la composition pulvérulente 30 est initialement porté à une première température Tif par exemple supérieure ou égale à 600°C. Pendant que l'ensemble est porté à cette première température Ti, la pression de compression augmente jusqu'à atteindre, à un premier instant ti, un palier à une valeur Pc qui correspond à la pression de compression qui sera appliquée durant le frittage de la composition pulvérulente 30.
La pression de compression Pc imposée sur la composition pulvérulente 30 durant le frittage peut être inférieure ou égale à 100 MPa, par exemple inférieure ou égale à 50 MPa. Cette pression de compression Pc peut être comprise entre 12,5 MPa et 100 MPa, par exemple entre 25 MPa et 100 MPa, par exemple entre 25 MPa et 50 MPa ou entre 50 MPa et 100 MPa. La pression de compression Pc est maintenue pendant toute la durée du frittage de la composition pulvérulente 30.
A partir du premier instant tl7 la température imposée au substrat 10 et à la composition pulvérulente 30 est augmentée jusqu'à la température de frittage Tf. La température atteint la température de frittage Tf à un deuxième instant t2 et est ensuite maintenue à cette valeur. La température de frittage Tf dépend de la nature de la composition pulvérulente 30 utilisée. Cette température de frittage Tf peut être comprise entre 900°C et 1150°C, par exemple entre 1050°C et 1150°C.
La température de frittage Tf et la pression de compression Pc sont maintenues jusqu'au troisième instant t3. La durée du frittage (t3-t2) peut être supérieure ou égale à 1 minute, par exemple comprise entre 1 minute et 10 minutes, par exemple entre 1 minute et 6 minutes. Une fois le frittage terminé, la pression de compression et la température sont progressivement diminuées et le substrat 10 revêtu de la couche abradable 12 est ensuite récupéré.
Dans l'exemple illustré, on impose une première vitesse de montée en température entre la première température Ti et une deuxième température T2 supérieure atteinte à l'instant intermédiaire t,, puis une deuxième vitesse de montée en température, inférieure à la première vitesse de montée en température, entre la deuxième température T2 et la température de frittage Tf. A titre illustratif, la première vitesse de montée en température peut être supérieure ou égale à 100°C/minute et la deuxième vitesse de montée en température peut être inférieure ou égale à 50°C/minute. Toujours à titre illustratif, la deuxième température T2 peut être supérieure ou égale à 1000°C. On ne sort toutefois pas du cadre de l'invention lorsque la vitesse de montée en température est constante entre la première température Ti et la température de frittage Tf.
Exemples
Exemple 1 (invention)
Une composition pulvérulente formée à 100% en masse de fibres micrométriques de zircone yttriée commercialisées sous la référence ZYBF-5 (CFO 10) par la société Zircar a été mise en forme par frittage flash en imposant les conditions suivantes :
- température de frittage : 1100°C,
- temps de palier à la température de frittage : 6 minutes,
- pression de compression appliquée durant le frittage : 50
MPa.
La couche obtenue possédait un taux de porosité volumique d'environ 50%.
Des essais d'abradabilité ont été effectués dans les conditions expérimentales suivantes :
- 3 aubes sont fixées sur le disque d'essai,
- vitesse de rotation des aubes : 210 m/s,
- vitesse d'incursion dans la couche abradable : 50 pm/s,
- distance de pénétration : 500 pm. La trace obtenue dans la couche et l'état des sommets d'aubes sont visibles respectivement sur les figures 6 et 7.
La zone où a eu lieu le contact présente de très faibles transferts métalliques et donc un comportement abradable très satisfaisant du fait que les sommets d'aube sont peu usés. Des mesures avant et après essais de l'épaisseur (mesure au centre de l'aube) et de la masse des pales ont permis de rendre compte de l'usure de celle-ci. L'apparition de stries a été observée au sommet des aubes, ce qui indique une usure faible. Cela a été confirmé par les résultats de mesure de variation d'épaisseur et de masse qui sont reportés dans le tableau ci- dessous.
Figure imgf000014_0001
Exemple 2 (hors invention)
A titre comparatif, une composition pulvérulente comprenant le mélange suivant a été frittée par frittage flash :
- 80% en masse de fibres micrométriques de zircone yttriée commercialisées sous la référence ZYBF-5 (CF010) par la société Zircar, et
- 20% en masse de particules céramiques nanométriques commercialisées sous la référence Zirconia TZ 6Y par la société Tosoh.
Les conditions imposées durant le frittage flash étaient les suivantes :
- température de frittage : 1110°C,
- temps de palier à la température de frittage : 6 minutes,
- pression de compression appliquée durant le frittage : 50 MPa.
Il a été constaté qu'un tel matériau présente un comportement beaucoup moins abradable et une usure des sommets d'aubes (voir respectivement figures 8 et 9). Ce comportement s'explique par la teneur trop importante de particules céramiques nanométriques (20% en masse) qui affecte négativement i'abradabilité. L'expression « compris(e) entre ... et ... » doit se comprendre comme incluant les bornes.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d'une couche abradable (12), comprenant les étapes suivantes :
- compression d'une composition pulvérulente (30) comprenant au moins des particules céramiques micrométriques ayant un facteur de forme moyen en nombre supérieur ou égal à 3, la teneur massique desdites particules céramiques micrométriques dans la composition pulvérulente étant supérieure ou égale à 85%, le facteur de forme d'une particule étant défini comme le rapport [plus grande dimension de la particule] / [plus grande dimension transversale de la particule], et
- frittage de la composition pulvérulente ainsi comprimée pour obtenir la couche abradable.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la composition pulvérulente (30) comprend en outre des particules céramiques nanométriques ayant un facteur de forme moyen en nombre compris entre 0,7 et 1,3, la teneur massique desdites particules céramiques nanométriques dans la composition pulvérulente étant inférieure ou égale à 15%.
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel la teneur massique desdites particules céramiques nanométriques dans la composition pulvérulente (30) est comprise entre 1% et 10%.
4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la composition pulvérulente (30) est constituée essentiellement par lesdites particules céramiques micrométriques.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la teneur massique desdites particules céramiques micrométriques dans la composition pulvérulente (30) est supérieure ou égale à 90%.
6. Procédé selon la revendication 1 à 5, dans lequel lesdites particules céramiques micrométriques comprennent au moins des particules aciculaires ayant un facteur de forme moyen en nombre compris entre 3 et 5.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel lesdites particules céramiques micrométriques comprennent au moins des particules fibreuses ayant un facteur de forme moyen en nombre strictement supérieur à 5.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la température imposée durant le frittage, la durée de frittage et la pression de compression appliquée sont choisies de sorte à obtenir un taux de porosité volumique de la couche abradable (12) supérieur ou égal à 20%.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel une pression de compression (Pc) comprise entre 12,5 MPa et 100 MPa est appliquée sur la composition pulvérulente (30) durant le frittage.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel la durée du frittage est comprise entre 1 minute et 10 minutes.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel la température (Tf) imposée durant le frittage est comprise entre 900°C et 1150°C.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel la composition pulvérulente (30) est frittée par technique de frittage flash.
13. Procédé de fabrication d'un substrat (10) revêtu par une couche abradable (12), le substrat étant une pièce de turbomachine et le procédé comprenant :
- le dépôt de la composition pulvérulente (30) sur une surface (S) du substrat, et
- la formation de la couche abradable sur le substrat à partir de la composition pulvérulente ainsi déposée par mise en œuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12.
14. Procédé de fabrication d'un substrat (10) revêtu par une couche abradable (12), le substrat étant une pièce de turbomachine et le procédé comprenant :
- la formation de la couche abradable par mise en oeuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12,
- le dépôt de la couche abradable ainsi formée sur une surface (S) du substrat, et
- la solidarisation de la couche abradable ainsi déposée à la surface du substrat.
15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 ou 14, dans lequel l'une des deux conditions suivantes est vérifiée :
- le substrat (10) est métallique, et lesdites particules céramiques micrométriques, ainsi que lesdites particules céramiques nanométriques éventuellement présentes, comprennent au moins de la zircone, ou
- le substrat (10) est en matériau composite à matrice céramique, et lesdites particules céramiques micrométriques, ainsi que lesdites particules céramiques nanométriques éventuellement présentes, sont en silicate de terre rare.
16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 à 15, dans lequel le substrat (10) est un secteur d'anneau de turbine ou de compresseur.
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