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WO 2015/114227 1
PCT/FR2014/053268
PROCEDE DE REPARATION LOCALISEE D'UNE BARRIERE THERMIQUE
ENDOMMAGEE
Arrière-plan de l'invention
L'invention concerne les procédés de réparation localisée des
barrières thermiques endommagées.
Les aubages des turbines haute pression des moteurs
aéronautiques sont exposés à un environnement très agressif. Ces pièces
sont, en général, revêtues d'un revêtement protecteur en oxydation ainsi
que d'un revêtement de barrière thermique. Le revêtement de barrière
thermique permet d'isoler thermiquement la pièce sous-jacente afin de la
maintenir à des températures où ses performances mécaniques et sa
durée de vie sont acceptables.
Certaines zones de ce système peuvent être endommagées en
service à haute température par l'érosion, l'impact de particules,
l'oxydation, la corrosion et par les aluminosilicates de calcium et de
magnésium ( CMAS ). Les photographies fournies aux figures 1 et 2
montrent l'aspect d'aubes endommagées en service. Ces dégradations
peuvent engendrer des disparitions locales de la couche barrière
thermique voire de la sous-couche conduisant à une oxydation de la pièce
sous-jacente.
Actuellement, il est connu afin de reconstituer une barrière
thermique de décaper l'intégralité du revêtement de barrière thermique
(même les zones non endommagées) des pièces puis de réaliser un
nouveau système barrière thermique. Des pièces dont la barrière
thermique a été endommagée peuvent même dans certains cas être mises
au rebut.
Il existe un besoin pour améliorer la durée d'utilisation des
pièces revêtues par des barrières thermiques.
Il existe un besoin pour simplifier et diminuer le coût des
procédés de réparation des barrières thermiques endommagées.
Il existe aussi un besoin pour disposer de nouveaux procédés
de réparation des barrières thermiques endommagées.
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Objet et résumé de l'invention
A cet effet, l'invention propose, selon un premier aspect, un
procédé de réparation localisée d'une barrière thermique endommagée, le
procédé comportant l'étape suivante :
a) traitement par électrophorèse d'une pièce revêtue d'une
barrière thermique endommagée, la pièce étant formée d'un
matériau conducteur de l'électricité, la barrière thermique
endommagée comportant un matériau céramique et
présentant au moins une zone endommagée à réparer, la
pièce étant présente dans un électrolyte comportant une
suspension de particules dans un milieu liquide, les
particules, à l'état non aggloméré, ayant une taille moyenne
comprise entre 20 nm et 1 pm, un revêtement céramique
étant déposé par électrophorèse dans la zone endommagée
afin d'obtenir une barrière thermique réparée destinée à être
utilisée à des températures supérieures ou égales à 1000 C,
les particules étant formées d'un matériau différent du
matériau céramique présent dans la barrière thermique
endommagée,
le procédé comportant avant l'étape a), une étape de formation des
particules par mise en oeuvre d'un procédé sol-gel, l'étape de séchage
dudit procédé sol-gel étant réalisée par séchage supercritique.
L'invention propose également un procédé de réparation localisée d'une
barrière thermique endommagée, le procédé comportant l'étape suivante :
a) traitement par électrophorèse d'une pièce revêtue d'une
barrière thermique endommagée, la pièce étant formée d'un
matériau conducteur de l'électricité, la barrière thermique
endommagée comportant un matériau céramique et
présentant au moins une zone endommagée à réparer, la
pièce étant présente dans un électrolyte comportant une
suspension de particules dans un milieu liquide, les
particules, à l'état non aggloméré, ayant une taille moyenne
comprise entre 20 nm et 1 pm, un revêtement céramique
étant déposé par électrophorèse dans la zone endommagée
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2a
afin d'obtenir une barrière thermique réparée destinée à être
utilisée à des températures supérieures ou égales à 1000 C,
les particules étant formées d'un matériau différent du matériau
céramique présent dans la barrière thermique endommagée, dans lequel
un générateur impose une différence de potentiel entre la pièce et une
contre-électrode durant le traitement par électrophorèse, le générateur
générant un courant pulsé durant le traitement par électrophorèse.
Des variantes, des exemples et des réalisations préférées de
l'invention sont décrits ci-dessous.
Par exemple, la pièce est formée d'un matériau conducteur de
l'électricité et la barrière thermique endommagée permet la conduction de
l'électricité dans la zone endommagée à réparer et donc le dépôt du
revêtement céramique par électrophorèse dans cette zone lors de l'étape
a). Le revêtement céramique obtenu lors de l'étape a) est formé par le
dépôt des particules sur la pièce. Le revêtement céramique peut être
majoritairement déposé dans la zone endommagée. En d'autres termes,
une masse de revêtement céramique supérieure ou égale à 50% de la
masse totale du revêtement céramique déposé lors de l'étape a) peut être
déposée dans la zone endommagée. Cette masse de revêtement
céramique déposée dans la zone endommagée peut par exemple être
supérieure ou égale à 75%, voire à 90%, de la masse totale du
revêtement céramique déposé lors de l'étape a). Dans un exemple de
réalisation, le revêtement céramique peut être déposé uniquement dans la
zone endommagée.
L'invention permet avantageusement de réparer de manière
rapide, peu coûteuse et localisée la barrière thermique endommagée et
ainsi d'éviter la mise au rebut de pièces partiellement dégradées ou le
décapage complet de la barrière thermique endommagée. L'invention
permet, par conséquent, de prolonger la durée de vie des pièces et de
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limiter le coût de remise en fonctionnement des pièces dont la barrière
thermique a été endommagée.
La possibilité d'une réparation localisée résulte de la mise en
oeuvre d'un dépôt par électrophorèse à la différence du procédé de dépôt
en phase vapeur avec évaporation sous faisceau d'électrons ( electron
beam physical vapor deposition ; EB-PVD) ou de projection plasma
( plasma spraying ; PS) qui ne permettent pas ou difficilement la
réalisation d'une réparation localisée.
En outre, le procédé de dépôt par électrophorèse présente
l'avantage d'être utilisable pour des pièces présentant des géométries
complexes.
La barrière thermique réparée peut être destinée à être utilisée
dans un environnement où la température à la surface de la barrière
thermique est supérieure ou égale à 1000 C.
La pièce peut avantageusement être en matériau métallique et,
par exemple, comporter du nickel.
Avantageusement, avant mise en oeuvre de l'étape a), la
barrière thermique endommagée peut présenter un manque de matière
dans la zone endommagée.
Dans un exemple de réalisation, les particules, éventuellement
agglomérées, peuvent présenter une taille moyenne inférieure ou égale à
10 pm.
Par taille moyenne , on désigne la dimension donnée par la
distribution granulométrique statistique à la moitié de la population, dite
D50.
Par exemple, les particules, à l'état non aggloméré, peuvent
avoir une taille moyenne comprise entre 20 nm et 1 pm.
De telles tailles de particules permettent avantageusement
d'obtenir une suspension stable.
Les particules peuvent ou non avoir été obtenues par voie sol-
gel. Ainsi, dans un exemple de réalisation, le procédé peut comporter,
avant l'étape a), une étape de formation des particules par mise en oeuvre
d'un procédé sol-gel. Ces particules peuvent ensuite être dispersées dans
le milieu liquide afin de former l'électrolyte.
Les particules de l'électrolyte peuvent, par exemple, être des
particules de zircone yttriée (YSZ ; Yttria-Stabilized Zirconia )
lesquelles
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peuvent ou non avoir été obtenues par voie sol-gel. On peut encore
utiliser des particules d'oxyde de zirconium. Plus généralement, on peut
utiliser pour le dépôt par électrophorèse toutes particules susceptibles de
présenter une charge électrique au sein de l'électrolyte (leur permettant
ainsi de se déplacer lors de l'application du champ électrique). On peut
ainsi, par exemple, utiliser des particules de formule chimique suivante :
ZrO2-Re01.5 (où Re désigne un élément Terre Rare, par exemple : Gd, Sm
ou Er), Y203, Al2O3, TiO2 ou Ce02.
Dans un exemple de réalisation, les particules peuvent être
formées du même matériau céramique que celui présent dans la barrière
thermique endommagée.
En variante, les particules peuvent être formées d'un matériau
différent du matériau céramique présent dans la barrière thermique
endommagée. Dans ce cas, le matériau constituant les particules et le
matériau céramique de la barrière thermique endommagée sont
avantageusement compatibles thermomécaniquement et chimiquement.
Par exemple, la différence entre les coefficients d'expansion thermique du
matériau céramique présent dans la barrière thermique endommagée et
du matériau constituant les particules peut en valeur absolue
avantageusement être inférieure ou égale à 2.10-6 K-1.
L'utilisation d'un matériau différent peut avantageusement
permettre d'apporter une propriété supplémentaire, par exemple propriété
anti-CMAS ou matériau thermosensible, et ainsi de fonctionnaliser la
barrière thermique tout en la réparant.
Le milieu liquide peut, par exemple, être choisi parmi : les
alcools, par exemple l'éthanol ou l'isopropanol, les cétones par exemple
l'acétylacétone, l'eau et leurs mélanges.
Dans un exemple de réalisation, les particules peuvent être
présentes dans le milieu liquide, avant le début de l'étape a), en une
concentration supérieure ou égale à 0,1 g/L, de préférence supérieure ou
égale à 1 g/L.
De telles valeurs de concentration permettent avantageusement
de disposer d'une suspension stable.
Dans un exemple de réalisation, l'épaisseur du revêtement
céramique déposé peut être supérieure ou égale à 50 nm, par exemple
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supérieure ou égale à 30 pm. Dans un exemple de réalisation, l'épaisseur
du revêtement céramique déposé peut être inférieure ou égale à 200 pm.
Dans un exemple de réalisation, la pièce peut être revêtue
d'une couche d'accrochage permettant l'accrochage de la barrière
thermique à la pièce et le revêtement céramique peut être déposé sur la
couche d'accrochage.
La couche d'accrochage permet avantageusement d'améliorer
l'accrochage de la barrière thermique à la pièce. La couche d'accrochage
peut, en outre, avantageusement permettre de protéger la pièce contre
l'oxydation et la corrosion.
La couche d'accrochage peut, par exemple, être métallique.
Dans une variante, la barrière thermique peut directement être
présente sur la pièce. Ainsi, il est possible qu'aucune couche d'accrochage
ne soit présente entre la barrière thermique et la pièce.
Dans un exemple de réalisation, la durée de l'étape a) peut être
supérieure ou égale à 1 minute, de préférence à 5 minutes.
De telles valeurs permettent avantageusement d'améliorer le
caractère couvrant et l'homogénéité du revêtement céramique formé.
Dans un exemple de réalisation, une tension supérieure ou
égale à 1 V peut être imposée durant tout ou partie de l'étape a) entre la
pièce et une contre-électrode. La tension imposée durant tout ou partie de
l'étape a) peut, de préférence, être supérieure ou égale à 50 V.
De telles valeurs permettent avantageusement d'améliorer le
caractère couvrant et l'homogénéité du revêtement céramique formé.
Dans un exemple de réalisation, la zone endommagée peut,
avant l'étape a), avoir été soumise à une étape de décapage.
La réalisation d'un décapage permet avantageusement
d'éliminer les résidus de barrière thermique et les couches d'oxydes
éventuellement présents et ainsi d'améliorer le caractère conducteur de
l'électricité de la zone endommagée à réparer afin de favoriser la
formation du dépôt du revêtement céramique par électrophorèse.
Le décapage peut être réalisé mécaniquement, par exemple par
sablage, ponçage, meulage, jet d'eau haute pression ou par décapage
laser.
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En variante, le décapage peut être un décapage chimique, par
exemple un décapage électrolytique ou un décapage en milieu acide ou
basique.
Après décapage, la barrière thermique endommagée peut, au
début de l'étape a), présenter un manque de matière dans la zone
endommagée.
Dans un exemple de réalisation, le procédé peut comporter,
après l'étape a), une étape b) de consolidation par traitement thermique
du revêtement céramique déposé.
L'étape b) peut, par exemple, comporter la soumission de la
pièce obtenue après mise en oeuvre de l'étape a) à une température
supérieure ou égale à 1000 C, par exemple supérieure ou égale à 1100 C.
Dans un exemple de réalisation, la pièce peut constituer une
aube de turbomachine.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront
de la description suivante, en référence aux dessins annexés, sur
lesquels :
- la figure 1 est une photographie d'une aube de turbomachine
endommagée en service,
- la figure 2 comporte une photographie d'une aube de
turbomachine endommagée en service et illustre, de manière schématique
et partielle, la structure d'une barrière thermique endommagée,
- les figures 3A et 3B illustrent, de manière schématique et
partielle, la mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention, et
- les figures 4A et 4B sont des photographies représentant
respectivement une pièce avant et après traitement par un procédé selon
l'invention.
Description détaillée de modes de réalisation
On a représenté à la figure 2 une pièce 1 par exemple
constituée d'un superalliage à base de nickel revêtue d'une couche
d'accrochage 2 sur laquelle est présente une barrière thermique
endommagée 3. Une couche d'oxyde 2a est présente entre la couche
d'accrochage 2 et la barrière thermique 3 endommagée. La couche 2a
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peut être constituée d'alumine a-A1203. La barrière thermique
endommagée 3 comporte un matériau céramique et présente une zone
endommagée 4 à réparer.
La zone endommagée 4 peut présenter au moins une zone
adjacente non endommagée. Dans l'exemple illustré, la zone
endommagée 4 est présente entre deux zones adjacentes non
endommagées 5a et 5b.
On a représenté à la figure 3A la mise en oeuvre d'une étape a)
selon l'invention. Comme illustré, la pièce 1 portant la barrière thermique
endommagée 3 est présente dans un électrolyte 10 comportant une
suspension de particules 11 dans un milieu liquide. Les particules 11
peuvent, par exemple, être des particules de zircone yttriée (zircone
stabilisée par de l'oxyde d'yttrium).
A titre d'exemple, on décrit ci-dessous les étapes de la synthèse
par voie sol-gel d'une poudre de zircone yttriée destinée, dans un exemple
de réalisation, à former les particules 11:
¨ Mélange d'acétyl-acétone dans du 1-propanol et de
propoxyde de zirconium (Zr(0C31-17)4),
¨ Mélange du mélange obtenu avec une solution de nitrate
d'yttrium dans du 1-propanol,
¨ Mélange du mélange obtenu avec de l'eau et du 1-propanol
(10 mol/L) afin d'obtenir un sol,
¨ Mise à l'étuve du sol à une température de 50 C,
¨ Séchage évaporatif ou séchage supercritique,
¨ Calcination à l'air à une température de 700 C.
La poudre d'oxyde (zircone yttriée) ainsi obtenue est alors mise
en suspension dans un milieu liquide constitué par exemple d'isopropanol
afin de former l'électrolyte 10.
La pièce 1 revêtue de la barrière thermique endommagée 3
constitue une électrode du système d'électrophorèse au regard de laquelle
est présente une contre-électrode 20. La contre-électrode 20 est, par
exemple, en platine. Du fait du caractère conducteur de la pièce 1 et de la
zone endommagée 4, un dépôt par électrophorèse est réalisé dans la zone
endommagée 4. La zone endommagée 4 est constituée, dans l'exemple
illustré, par une région dépourvue de matière. Dans une variante non
illustrée, la zone endommagée comporte une première région dépourvue
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de matière ainsi qu'une deuxième région dans laquelle une couche
céramique est présente, l'épaisseur de la couche céramique présente dans
la deuxième région étant suffisamment faible pour que cette deuxième
région soit conductrice de l'électricité. En variante encore, la zone
endommagée est constituée par une région dans laquelle une couche
céramique est présente, l'épaisseur de la couche céramique étant
suffisamment faible pour que cette région soit conductrice de l'électricité.
Le dépôt est réalisé préférentiellement dans les zones les plus
conductrices (épaisseur de la couche céramique suffisamment faible ou
absence totale de couche céramique) car le champ électrique sera
relativement élevé dans ces zones.
On a représenté un exemple de réalisation où la barrière
thermique endommagée 3 présente une unique zone endommagée 4 à
réparer mais on ne sort pas du cadre de la présente invention si la
barrière thermique endommagée présente une pluralité de zones
endommagées à réparer. Dans ce cas, chacune des zones endommagées
à réparer est conductrice de l'électricité.
Durant l'étape a), un générateur G impose une différence de
potentiel entre la pièce 1 et la contre-électrode 20. Le générateur G est à
courant continu ou pulsé. La pièce 1 est polarisée à une charge opposée à
celle des particules 11. Du fait de l'application d'un champ électrique entre
la pièce 1. et la contre-électrode 20, les particules 11 se déplacent et se
déposent sur la pièce 1 pour former un revêtement céramique 6. Le dépôt
du revêtement céramique 6 dans la zone endommagée 4 permet d'obtenir
une barrière thermique réparée 7. Le dépôt du revêtement céramique 6
dans la zone endommagée 4 induit une diminution progressive de la
conductivité électrique de cette zone au cours du temps. En effet, au fur
et à mesure du dépôt du revêtement céramique 6, cette zone devient de
plus en plus isolante ce qui ralentit voire stoppe la formation du
revêtement céramique 6 sur la pièce 1.
Comme illustré, le revêtement céramique 6 est déposé dans la
zone endommagée 4 et recouvre toute la surface de la zone endommagée
4.
Avantageusement, lors du dépôt du revêtement céramique 6, la
barrière thermique endommagée 3 n'est pas recouverte d'un masque
présentant une ouverture se superposant avec la zone endommagée 4 à
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réparer. En outre, il n'est pas nécessaire avant l'étape a) de décaper une
partie de la barrière thermique endommagée 3 située en dehors de la
zone endommagée 4 à réparer.
Le revêtement céramique 6 peut présenter une épaisseur e
supérieure ou égale à 50 nm, par exemple supérieure ou égale à 30 pm.
L'épaisseur e du revêtement céramique 6 correspond à sa plus grande
dimension mesurée perpendiculairement à la surface S de la pièce 1
revêtue.
Après l'étape a), un séchage puis un traitement thermique de
consolidation du revêtement céramique 6 peuvent être effectués.
Exemple
Une pièce de superalliage base nickel revêtue d'une barrière
thermique de zircone stabilisée par de l'oxyde d'yttrium (YSZ) obtenue par
procédé de dépôt en phase vapeur avec évaporation sous faisceau
d'électrons ( Electron beam physical vapor deposition ; EB-PVD) a été
utilisée. La barrière thermique a tout d'abord été endommagée par jet
d'eau. La figure 4A montre le résultat obtenu après endommagement.
Un dépôt par électrophorèse a été réalisé à partir d'une
suspension de poudre YSZ dans l'isopropanol (10 g/L) à une tension de
100V pendant 6 minutes. Une photographie de la pièce après traitement
par le procédé selon l'invention est donnée à la figure 4B.
On constate que l'on obtient un dépôt couvrant et homogène
de zircone stabilisée par de l'oxyde d'yttrium dans la toute la zone
endommagée.
L'expression comportant/contenant un(e)
doit se
comprendre comme comportant/contenant au moins un(e) .
L'expression compris(e) entre ... et ... ou allant de ... à
doit se comprendre comme incluant les bornes.
