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CA 02577898 2007-02-16
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PROCEDE DE DEPOT DE BARRIERE THERMIQUE PAR TORCHE PLASMA
La présente invention concerne un procédé de dépôt sur un
substrat d'un matériau jouant le rôle de barrière thermique, ce matériau
se présentant, avant dépôt, sous forme d'une poudre.
Le substrat est par exemple un superalliage, en particulier un
superalliage destiné à constituer des pièces de turbomachine.
Les deux technologies utilisées industriellement pour le dépôt
sur un substrat d'un matériau, typiquement une céramique, jouant le rôle
de barrière thermique, sont la projection par plasma, et le dépôt en phase
vapeur.
La projection par plasma consiste à injecter le matériau à
déposer, sous forme pulvérulente, dans le jet plasma d'une torche plasma.
Le jet plasma est généré grâce à la création d'un arc électrique entre
l'anode et la cathode d'une torche plasma, qui ionise alors le mélange
gazeux soufFlé à travers cet arc par la torche plasma. La taille des
particules de poudre injectées dans le jet varie typiquement entre 1 pm et
50 pm. Le jet plasma, qui atteint une température de 20 000 K et une
vitesse de l'ordre de 400 à 1000 m/s, entraîne et fait fondre les particules
de poudre. Celles-ci viennent heurter le substrat sous forme de
gouttelettes qui se solidifient à l'impact sous forme écrasée.
Le dépôt en phase vapeur utilise en général un faisceau
d'électrons pour vaporiser le matériau à déposer. La technique la plus
courante est l'EBPVD ("Electron Beam Physical Vapor Deposition"). Le
matériau, une fois vaporisé par le faisceau d'électrons, vient se condenser
sur le substrat. A cause de l'utilisation d'un faisceau d'électrons, un vide
secondaire doit être maintenu dans l'enceinte enfermant le faisceau
d'électrons, le matériau à déposer, et le substrat.
Il existe d'autres technologies, mais qui ne sont pas encore au
stade industriel. L'EBDVD ("Electron Beam Directed Vapor Deposition") est
basée sur le principe de l'EBPVD. La TPPVD ("Thermal Plasma Physical
Vapor Deposition") utilise une torche plasma comme source de chaleur
pour évaporer le matériau à déposer. La torche est couplée à une source
radiofréquence pour une efficacité accrue. L'obstacle technique posé par
cette méthode est de maintenir dans le plasma la poudre de matériau à
déposer suffisamment longtemps pour qu'elle se vaporise.
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Chacune des deux technologies utilisées industriellement pour
le dépôt sur un substrat d'un matériau jouant le rôle de barrière thermique
possède des avantages et des inconvénients :
Le dépôt résultant de la projection par plasma présente une
morphologie lamellaire, les lamelles superposées étant parallèles à la
surface du substrat. Le dépôt possède des microfissures, qui sont dues à
la trempe que les gouttelettes subissent à l'impact sur le substrat, et est
poreux. Le dépôt a donc l'avantage, de par sa structure et sa porosité, de
posséder une faible conductivité thermique. Le substrat est donc mieux
protégé thermiquement. Par contre, ce type de dépôt présente une durée
de vie limitée, car les dilatations thermiques du substrat ont tendance à
fracturer le dépôt et à le délaminer. En outre il est difficile d'obtenir par
ce
procédé un dépôt d'épaisseur uniforme sur des pièces de forme complexe,
car ce procédé est très directionnel.
Le dépôt résultant des techniques en phase vapeur par faisceau
d'électrons présente une morphologie colonnaire, les colonnes étant
agencées les unes à côté des autres et de façon perpendiculaire à la
surface du substrat. Ce dépôt a donc une bonne durée de vie, d'une part
car sa structure s'accommode bien des dilatations thermiques du substrat,
et d'autre part parce que sa résistance à l'érosion est plus élevée que celle
d'un dépôt plasma. Par contre, ce dépôt possède une conductivité
thermique plus élevée que celle d'un dépôt obtenu par projection plasma,
ce qui est indésirable car le dépôt constitue alors une barrière thermique
moins efficace. De plus, la vitesse de dépôt et le rendement sont faibles.
La faiblesse du rendement est due au fait que ce procédé créé un "nuage"
de vapeur, qui se condense donc de façon indiscriminée, y compris sur les
parois. Surtout, le dépôt par faisceau d'électrons est une technique
coûteuse et délicate car elle nécessite de fortes puissances électriques
pour l'alimentation des canons à électrons et l'obtention d'un vide
secondaire poussé dans des enceintes de grand volume.
La présente invention vise à remédier à ces inconvénients, ou
tout au moins à les atténuer.
L'invention vise à proposer une méthode permettant d'une part
d'obtenir un dépôt combinant les avantages techniques d'un dépôt
lamellaire et d'un dépôt colonnaire, à savoir une faible conductivité
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thermique, une bonne durée de vie, une bonne résistance à l'érosion, une
vitesse de dépôt et un rendement élevés, d'autre part possédant un coût
de mise en oeuvre plus faible que celui du procédé de dépôt en phase
vapeur.
Ce but est atteint grâce au fait que la poudre est introduite
dans le jet plasma d'une première torche plasma et dans le jet plasma
d'au moins une deuxième torche plasma, la première torche plasma et au
moins la deuxième torche plasma étant disposées dans une enceinte et
orientées de sorte que leurs jets plasma se croisent de façon à créer un
jet plasma résultant dans lequel la poudre est vaporisée, le substrat étant
placé dans l'axe du jet plasma résultant.
Grâce à l'utilisation de deux torches plasma, la quantité
d'énergie reçue par les particules de poudre est augmentée, ce qui
favorise l'évaporation de ces particules. Par ailleurs, lors de la rencontre
des jets plasma, les particules de poudre les plus grosses, qui ne se sont
pas vaporisées, continuent leur trajectoire dans l'axe des jets respectifs,
tandis que la poudre vaporisée est entraînée par l'écoulement des gaz
dans le jet plasma résultant de la combinaison des jets plasma de chacune
des torches. Il se produit donc une séparation entre les particules de
poudre non vaporisées et la vapeur de matériau. Ainsi, lorsque le substrat
est placé dans l'axe du jet plasma résultant, il est impacté par le matériau
en phase vapeur, ce qui favorise un dépôt du matériau sur le substrat
sous forme colonnaire.
Egalement, grâce au fait que le jet résultant est directionnel, la
vitesse de dépôt et le rendement sont plus élevés qu'en utilisant la
technique du dépôt en phase vapeur par faisceau d'électrons.
En outre, il n'est pas nécessaire d'établir le vide dans l'enceinte
contenant les torches et le substrat, et la puissance de fonctionnement
des torches plasma est plus faible que celle d'un faisceau d'électrons. Le
coût de mise en oeuvre du présent procédé est donc plus faible que celui
des technologies actuelles de dépôt en phase vapeur.
De plus, en modifiant les paramètres des torches plasma, on
peut diminuer la proportion des particules de poudre qui sont évaporées,
et ainsi favoriser un dépôt sur le substrat sous forme lamellaire. Au total,
on peut donc obtenir par le présent procédé un dépôt de structure
hybride, combinant simultanément des dépôts sous forme colonnaire et
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lamellaire. Ce dépôt hybride possède une faible conductivité thermique,
une bonne durée de vie, une bonne résistance à l'érosion, combinant ainsi
les avantages des structures colonnaire et lamellaire.
Par exemple, deux torches plasma seulement sont utilisées.
Avantageusement, il existe une dépression dans l'enceinte.
Grâce à!a création d'une simple dépression peu importante
(vide primaire) dans l'enceinte, le plasma est moins dense, ce qui permet
aux particules fines de la poudre de matériau de pénétrer plus facilement
dans le jet plasma et donc d'être mieux chauffées. La diminution de la
pression permet également de réduire la pression de vapeur saturante du
matériau, et donc de favoriser son évaporation.
Avantageusement, les axes des torches sont les génératrices
d'un cône d'axe central z, l'axe de chacune des torches faisant avec l'axe
central z du cône un angle a compris entre 20 et 600, l'axe central z du
cône étant dirigé vers la surface du substrat destinée à recevoir le
matériau à déposer.
Grâce à cette disposition, les jets plasma se croisent tous en un
même point, et l'orientation des torches les unes par rapport aux autres
est optimisée pour obtenir un jet plasma où les particules de poudre sont
vaporisées. En effet, si les angles entre les axes des torches et l'axe
central z du cône sont trop faibles, les particules les plus grosses non
vaporisées sont entraînées par le jet. Si les angles entre les axes des
torches et l'axe central z du cône sont trop élevés, le jet plasma résuitant
généré est insuffisant.
Avantageusement, la distance D entre chacune des torches et
le substrat est comprise entre 50 mm et 500 mm.
Grâce à cette disposition, le dépôt de la poudre vaporisée sur le
substrat est optimisé.
Avantageusement, le matériau est une céramique.
Par exemple, la céramique est choisie dans un groupe
comprenant de la zircone yttriée, de la zircone pouvant être stabilisée
avec au moins un des oxydes sélectionnés dans la liste suivante : CaO;
MgO, Ce02r et les oxydes de terres rares.
Avantageusement, le substrat peut comporter en surface une
sous-couche de liaison sur laquelle le matériau jouant le rôle de barrière
thermique est déposé selon le procédé conforme à l'invention.
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Grâce à la présence de cette sous-couche, il y a un meilleur
accrochage entre le substrat et le matériau déposé. La sous-couche peut
également contribuer à jouer le rôle de barrière thermique conjointement
au matériau déposé.
5 Avantageusement, le matériau introduit sous forme de poudre
dans chacune des torches est différent d'une torche à('autre.
L'invention concerne également une installation destinée au
dépôt sur un substrat d'un matériau jouant le rôle de barrière thermique,
le matériau se présentant, avant dépôt, sous forme de poudre.
Selon l'invention, l'installation comprend une enceinte dans
laquelle est disposé le substrat, une première torche plasma et au moins
une deuxième torche plasma disposées dans ladite enceinte de façon que
lorsque la poudre est introduite dans le jet plasma de la première torche
plasma et dans le jet plasma de la deuxième torche plasma, le jet plasma
de ladite première torche plasma et le jet plasma de la deuxième torche
plasma se croisent ce par quoi on créé un jet plasma résultant dans lequel
la poudre est vaporisée, le substrat étant placé dans l'axe du jet plasma
résultant.
L'installation comprend en outre un support apte à recevoir le
substrat, et des supports pour recevoir chacune des torches plasma, les
supports étant réglables de façon à permettre une orientation quelconque
des torches.
Avantageusement, le diamètre interne de chacune des torches
est supérieur à 6 mm.
Grâce à cette disposition, la densité du plasma au sortir des
tuyères est plus faible, et donc le temps de séjour des particules à
l'intérieur du plasma est plus long. Les particules de poudre sont donc
mieux vaporisées.
L'invention concerne également une pièce thermomécanique
obtenue par dépôt sur un substrat d'un matériau jouant le rôle de barrière
thermique selon le procédé conforme à l'invention présenté
précédemment.
L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront
mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de
réalisation représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se
réfère aux dessins annexés sur lesquels :
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- la figure 1 est une vue d'ensemble d'une installation permettant la
mise en oeuvre du procédé selon l'invention,
- la figure 2 est une vue représentant le croisement des jets
plasma, et du jet plasma résultant.
Comme représenté sur la figure 1, une enceinte 2 comprend
une première torche plasma 10, une deuxième torche plasma 20, et un
substrat 40. La première torche plasma et la deuxième torche plasma
forment chacune un angle a avec un axe z dirigé vers la surface du
substrat destinée à recevoir le dépôt (sur l'exemple illustré, l'axe z est
perpendiculaire à la surface du substrat 40). Pour des raisons de symétrie,
l'angle a est identique pour la première et la deuxième torches plasma 10,
20. Toutefois, cet angle a pourrait être différent pour chaque torche.
Idéalement, l'angle a est compris entre 20 et 60 . L'extrémité de chaque
torche d'où sort le jet plasma est située à une distance D de la surface 42
du substrat 40 destinée à recevoir le dépôt, la distance D étant mesurée
parallèlement à!'axe z. Pour des raisons de symétrie, la distance D est
identique pour la première et la deuxième torches plasma 10, 20.
Toutefois, cette distance pourrait être différente pour chaque torche.
Idéalement, la distance D entre chacune des torches 10, 20 et le substrat
40 est comprise entre 50 mm et 500 mm.
La figure 2 illustre plus précisément le procédé de dépôt selon
l'invention. La première torche plasma 10 et la deuxième torche plasma 20
fonctionnent de façon classique, sans induction. Ce fonctionnement ne
sera donc pas décrit en détails, seuls les grands principes sont rappelés ci-
après. Un mélange gazeux est expulsé de chaque torche plasma 10, 20 à
travers un arc électrique entre l'anode et la cathode de chaque torche
plasma. Ce mélange gazeux est ainsi ionisé et éjecté à grande vitesse
(typiquement comprise entre 500 et 2000 m/s) et haute température
(typiquement supérieure à 10 000 K), et forme un jet plasma 12, 22.
Le matériau destiné à être déposé sur le substrat est introduit
dans chacun des jets plasma sous forme de poudre au niveau de
l'extrémité de la torche plasma d'où est éjecté le jet plasma. La taille des
particules constituant la poudre varie typiquement entre lpm et 100um.
Les particules de poudre introduites dans le jet plasma 12 de la
première torche plasma 10, et celles introduites dans le jet plasma 22 de
la deuxième torche plasma 20, sont chauffées par chacun des jets dès leur
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introduction dans les jets. Elles sont entraînées jusqu'à la zone de
croisement 32 où le premier jet plasma 12 et le deuxième jet plasma 22
se croisent. Au niveau de cette zone de croisement 32, la quantité
d'énergie reçue par les particules de poudre est augmentée, ce qui
favorise l'évaporation de ces particules. Les particules de poudre les plus
grosses 15 du premier jet plasma, et les particules de poudre les plus
grosses 25 du premier jet plasma, qui ne se sont pas vaporisées,
continuent leur trajectoire dans l'axe des jets respectifs (axes des
torches), tandis que la poudre vaporisée est entraînée par l'écoulement
des gaz dans le jet plasma résultant 30 formé par la combinaison du
premier jet plasma 12 et du deuxième jet plasma 22. Il se produit donc
une séparation entre les particules de poudre non vaporisées et la vapeur
de matériau. En se déposant sur le substrat 40, la vapeur de matériau
transportée par le jet plasma résultant 30 forme un dépôt 50, de
morphologie essentiellement colonnaire.
Une torche plasma fonctionnant typiquement à pression
ambiante, il n'est pas nécessaire d'établir le vide dans l'enceinte 2
contenant les torches plasma 10, 20 et le substrat 40. Le coût de mise en
o4uvre du présent procédé, qui permet le dépôt du matériau en phase
vapeur sur un substrat, est donc plus faible que celui des technologies
actuelles de dépôt en phase vapeur. Pour améliorer le dépôt, il est
possible toutefois d'établir un vide primaire dans l'enceinte 2. Mais
contrairement aux technologies actuelles de dépôt en phase vapeur, il
n'est pas nécessaire d'établir dans l'enceinte un vide secondaire, et le coût
de mise en oruvre du présent procédé est donc moindre.
Typiquement le diamètre d'une torche plasma est de 6 mm.
Afin d'améliorer le processus d'évaporation, il est possible d'utiliser des
diamètres de torche supérieurs.
Le matériau à déposer sur le substrat 40 est typiquement une
céramique, car les barrières thermiques possédant les meilleures
propriétés sont obtenues avec des céramiques. Typiquement, les
céramiques utilisées sont des zircones yttriées, en particulier une zircone
yttriée comprenant une teneur massique d'oxyde d'yttrium entre 4% et
20%. D'autres céramiques peuvent être utilisées, comme par exemple
zircone pouvant être stabilisée avec au moins un des oxydes sélectionnés
dans la liste suivante : CaO, MgO, Ce02, et les oxydes de terres rares, à
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savoir les oxydes de scandium, de lanthane, de cérium, de praséodyme,
néodyme, prométhium, samarium, europium, gadolinium, terbium,
dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium, lutétium.
Le substrat 40 peut comporter en surface une sous-couche de
liaison sur laquelle le matériau jouant le rôle de barrière thermique est
déposé pour former le dépôt 50. Cette sous-couche permet un meilleur
accrochage entre le substrat 40 et le matériau déposé formant le dépôt
50, et joue également le rôle d'une barrière thermique supplémentaire.
Par exemple, la sous-couche peut être un alliage alumino-formeur
résistant à l'oxydation-corrosion tel qu'un alliage apte à former une couche
d'alumine protectrice par oxydation, un alliage de type MCrAIY, M étant un
métal choisi parmi le nickel, le chrome, le fer ou le cobalt.
Il est possible également d'introduire dans chacune des torches
plasma 10, 20 un matériau différent, de façon à obtenir sur le substrat 40
un dépôt 50 dont la composition est différente de celle de chacun des
matériaux introduits dans les torches plasma 10, 20. Le débit de poudre
introduite dans chaque torche 10, 20 peut être le même ou différent d'une
torche à l'autre. Par ailleurs, le débit de poudre introduite dans chaque
torche 10, 20 peut être constant dans le temps ou variable dans le temps.
Le procédé pour le dépôt sur un substrat d'un matériau jouant
le rôle de barrière thermique a été décrit dans le cas où deux torches
plasma sont utilisées. Toutefois, un nombre plus important de torches
pourrait être utilisé pour le dépôt.
