Titre de l'invention : Sous-couche pour superalliage base nickel permettant l'amélioration de la durée de vie des pièces et son procédé de mise en œuvre.

Domaine Technique

L'invention s'inscrit dans le domaine des pièces de turbomachines notamment des turbomachines aéronautiques, et particulièrement des aubes de turbine ou d'ailettes de distributeurs. La présente invention concerne les revêtements pour des substrats et plus précisément les sous-couches déposées à la surface de substrats métalliques et leurs procédés de préparation

Technique antérieure

Les barrières thermiques permettent de protéger des substrats dans des environnements où la température est élevée. En fonctionnement à de telles températures, les phénomènes de diffusion qui sont thermiquement activés peuvent induire des modifications importantes entre le substrat et la sous-couche sur les substrats et leurs compositions chimiques réduisant par conséquent la durée de vie de l'ensemble de la pièce.

Les barrières thermiques sont habituellement placées sur des sous-couches, revêtant les substrats, et qui permettent d'assurer la cohésion de la barrière thermique avec le substrat.

Parmi les sous-couches classiquement utilisées pour les superalliages base nickel, on peut notamment citer des revêtements composés d'aluminures de nickel ou bien les revêtements Y-Ni/y'-NisAI.

Les revêtements d'aluminures de nickel présentent généralement des teneurs atomiques en aluminium de l'ordre de 40 % atomique, ce qui permet de former un oxyde d'alumine protecteur contre la corrosion et l'oxydation. Néanmoins, la forte teneur en aluminium, comparativement aux substrats, provoque des phénomènes d'interdiffusion, à savoir la migration de nickel depuis le substrat vers le revêtement et d'aluminium depuis le revêtement vers le substrat. Ces phénomènes sont thermiquement activés, donc amplifiés par l'utilisation à haute température du substrat revêtu, et causent à terme une réduction importante de la durée de vie des pièces revêtues. Par exemple, les substrats peuvent, dans les différentes applications envisagées, être sujets à des températures de l'ordre de 1000°C, par exemple comprises entre 1000°C et 1100°C.

En effet, la diffusion de l'aluminium favorise la transition martensitique dans le revêtement, ce qui peut générer des fissures et favoriser l'écaillage de la couche d'alumine. L'interdiffusion peut également créer des zones de réaction secondaire qui dégradent les propriétés mécaniques du superalliage revêtu.

Les revêtements Y-Ni/Y'-Ni ₃ AI ont une composition chimique plus proche de celle du substrat en superalliage de nickel ce qui limite les phénomènes d'interdiffusion. De plus, la composition chimique proche entre le substrat et le revêtement permet également de supprimer l'apparition de zones de réaction secondaire. Toutefois, la teneur en aluminium des revêtements Y-Ni/Y'-Ni ₃ AI est de l'ordre de 15-20 % atomique et ne permettent pas aux substrats de disposer d'une résistance à l'oxydation comparable à celle des aluminures de nickel et la durée de vie des pièces en superalliage s'en trouve donc réduite.

Il demeure donc un besoin pour une pièce en superalliage de nickel revêtue présentant d'une part des phénomènes d'interdiffusion limités, et d'autre part une résistance à l'oxydation et à la corrosion augmentée par rapport aux pièces revêtues de l'art antérieur.

Exposé de l'invention

L'invention vise à répondre à ce besoin en proposant une pièce en superalliage de nickel comprenant :

- un substrat en superalliage de nickel ; et

- une sous-couche métallique recouvrant le substrat, caractérisée en ce que la sous-couche comprend une première et une deuxième couches, ladite première couche étant située entre le substrat et la deuxième couche, ladite première couche comprenant une première phase Y'-Ni ₃ AI et une deuxième phase y-Ni, ladite deuxième couche comprenant une première phase \'~ Ni ₃ AI, une deuxième phase y-Ni et une troisième phase 0-NiAI, la teneur atomique moyenne en aluminium dans la deuxième couche étant strictement supérieure à la teneur atomique moyenne en aluminium dans la première couche.

Une telle sous-couche permet d'une part de limiter les phénomènes d'interdiffusion dans la pièce, notamment entre le substrat et la deuxième couche, car la première couche présente une teneur en aluminium plus proche de celle du substrat que la deuxième couche. De plus, la deuxième couche, disposée au-dessus de la première couche, permet de former une couche d'alumine et ainsi d'augmenter la résistance à l'oxydation du substrat en superalliage de nickel.

Dans un mode de réalisation, la première couche ne comprend pas d'autre phase que la première phase y'-Ni ₃ AI et la deuxième phase y-Ni.

Dans un mode de réalisation, la deuxième couche ne comprend pas d'autre phase que la première phase y'-Ni ₃ AI, la deuxième phase y-Ni, et la troisième phase 0-NiAI.

Dans un mode de réalisation, la sous-couche ne comprend pas d'autres couches que la première et la deuxième couche.

Dans un mode de réalisation, la teneur atomique moyenne en aluminium de la première couche est jusqu'à 4% supérieure, voire supérieure d'entre 2% et 4 %, à la teneur atomique moyenne en aluminium du substrat.

Dans un mode de réalisation, la teneur atomique moyenne en aluminium de la deuxième couche est jusqu'à 4% supérieure, voire supérieure d'entre 2% et 4% à la teneur atomique moyenne en aluminium de la première couche.

La teneur atomique moyenne en aluminium s'entend comme la valeur de la teneur atomique en aluminium moyennée sur l'ensemble de la couche, ou le cas échéant, de la zone concernée. Il est entendu qu'il sera apporté un soin particulier à faire une mesure représentative de la composition la couche (ou de la zone) dans son ensemble, puisqu'en effet, la nature multiphasique cette dernière peut localement induire des différences de concentrations marquées si la mesure est réalisée uniquement localement.

Comme indiqué ci-dessus, la sous-couche métallique comprend une première couche comprenant une première phase y'-Ni ₃ AI et une deuxième phase y-Ni. Dans un mode de réalisation, la première couche peut comprendre une pluralité de zones, chacune comprenant une première phase Y' ^_ Ni ₃ AI et une deuxième phase y- Ni, chacune des zones ayant une teneur moyenne en aluminium supérieure à la zone directement sous-jacente.

En d'autres termes, la première couche peut comprendre une pluralité de zones, formant ensemble dans la première couche un gradient de teneur atomique moyenne en aluminium. Par exemple, chacune des zones de la première couche peut avoir une teneur atomique moyenne en aluminium jusqu'à 4% supérieure, voire entre 2 % et 4 % supérieure, à la teneur atomique moyenne en aluminium de la zone directement inférieure, lesdites zones ayant une épaisseur de 1 pm à 5 pm.

Une première couche comprenant une pluralité de zones permet de passer progressivement d'une structure proche de celle du substrat à une structure plus riche en aluminium, et d'ainsi d'éviter une variation brutale de la concentration en aluminium, et ainsi de limiter les phénomènes d'interdiffusion.

Il est entendu que l'épaisseur d'une zone ou le cas échéant d'une couche, est mesurée dans la direction normale au substrat.

Comme indiqué ci-dessus, la sous-couche métallique comprend une deuxième couche comprenant une première phase y'-NisAI, une deuxième phase y-Ni et une troisième phase 0-NiAI.

Dans un mode de réalisation, la deuxième couche peut comprendre une pluralité de zones comprenant chacune une première phase y'-Ni ₃ AI, une deuxième phase y-Ni et une troisième phase 0-NiAI, chacune des zones ayant une teneur atomique moyenne en aluminium supérieure à la zone sous-jacente.

En d'autres termes, l'ensemble des zones de la deuxième couche de la sous-couche peut présenter un gradient de la teneur atomique moyenne en aluminium. Par exemple, chacune des zones de la deuxième couche peut avoir une teneur atomique moyenne en aluminium jusqu'à 4% supérieure, voire entre 2 % et 4 % supérieure, à la teneur atomique moyenne en aluminium de la zone directement inférieure, lesdites zones ayant une épaisseur de 1 pm à 5 pm. Une deuxième couche présentant une telle pluralité de zones permet de passer progressivement d'une structure proche de celle de la première couche à une structure encore plus riche en aluminium et d'ainsi d'éviter une variation brutale de la concentration en aluminium, et ainsi de limiter les phénomènes d'interdiffusion.

Cette variation progressive de la teneur atomique en aluminium dans la deuxième couche permet d'une part d'avoir une bonne adhérence entre la sous-couche et le substrat tout en limitant les phénomènes d'interdiffusion et d'autre part d'avoir une bonne adhérence entre le substrat, la première couche et la deuxième couche.

Dans un mode de réalisation, la teneur atomique moyenne en aluminium dans la deuxième couche ou, le cas échéant, dans la dernière zone de la deuxième couche peut être comprise entre 7 et 15 % massique.

Dans un mode de réalisation, la teneur totale en y-Ni dans la sous-couche métallique est comprise entre 5,0 % et 20,0 % massique, par rapport au poids total de la sous- couche.

Dans un mode de réalisation, la teneur totale en y'-Ni ₃ AI dans la sous-couche métallique est comprise entre 40,0 % et 90,0 % massique par rapport au poids total de la sous-couche. Par exemple comprise entre 40,0 % et 89,8 % massique.

Dans un mode de réalisation, la teneur totale en 0-NiAI dans la sous-couche métallique est comprise entre 5,0 % et 40,0 % massique par rapport au poids total de la sous-couche.

Il a été constaté par les inventeurs, que les teneurs en y-Ni, en y'-Ni ₃ AI et en 0-NiAI telles que proposées ci-dessus permettent d'obtenir une sous-couche métallique présentant un optimum entre d'une part la limitation des phénomènes d'interdiffusion, notamment de la diffusion de l'aluminium, et d'autre part une teneur en aluminium permettant la formation d'une couche d'alumine protégeant le substrat contre la corrosion et l'oxydation.

Dans un mode de réalisation, la teneur totale en hafnium Hf dans la sous-couche métallique est comprise entre 0,2 % et 2,0 % massique par rapport au poids total de la sous-couche. Dans un autre mode de réalisation, la sous-couche métallique multicouche peut également comprendre du chrome Cr. Par exemple, la teneur moyenne en chrome peut être comprise entre 3 % et 10 % massiques. Toutefois, le chrome ne doit pas être présent dans des quantités qui pourraient le conduire à former une phase différente dans la première ou la deuxième couche.

La présence de chrome dans une sous-couche de l'invention permet d'augmenter encore davantage la résistance de la sous-couche métallique à la corrosion.

Dans un mode de réalisation, le substrat peut être un superalliage de nickel comprenant des phases y-Ni et y'-Ni ₃ AI, et de préférence ne comprenant que des phases y-Ni et y'-Ni ₃ AI. Dans un mode de réalisation, la teneur totale en phase y dans le substrat est compris entre 20 % et 40 % massiques par rapport au poids total du substrat, et de préférence entre 25 % et 35 % massiques par rapport au poids total du substrat.

Dans un mode de réalisation, le substrat est un superalliage monocristallin à base de nickel.

Dans un mode de réalisation, la première couche est directement au contact du substrat, et la deuxième couche est directement au contact de la première couche.

Dans un mode de réalisation, la première et/ou la deuxième couche comprennent, en plus de l'aluminium et du nickel, un ou plusieurs éléments choisis parmi le chrome, le hafnium, le cobalt, le platine, le silicium, le tantale, le tungstène, le molybdène, le rhénium.

Dans un mode de réalisation, la première et/ou la deuxième couche ne comprennent pas d'autres éléments que des éléments choisis parmi le nickel, l'aluminium, le chrome, le hafnium, le cobalt, le platine, le silicium, le tantale, le tungstène, le molybdène, le rhénium.

Selon un autre de ses aspects, l'invention concerne également un procédé de fabrication d'une pièce telle que décrite précédemment dans lequel le dépôt de chacune des couches de la sous-couche métallique est réalisé par un procédé physique en phase vapeur. Dans un mode de réalisation, le procédé peut être réalisé dans une unique enceinte par co-évaporation ou co-pulvérisation de plusieurs sources disposées dans une unique enceinte de dépôt physique en phase vapeur.

Un tel mode de réalisation permet de déposer chacune des couches de la sous- couche métallique en contrôlant précisément la teneur en chacun de ses composants.

Par exemple, une pièce telle que décrite ci-dessus peut être obtenue au cours dans une unique enceinte par un procédé de co-pulvérisation cathodique magnétron.

Description des modes de réalisation.

[Fig. 1] La figure 1 est une représentation schématique d'une pièce selon un mode de réalisation de l'invention.

[Fig. 2] La figure 2 est une micrographie d'une pièce conforme à un mode de réalisation de l'invention.

[Fig. 3] La figure 3 représente schématiquement une enceinte pour un dépôt physique en phase vapeur selon un mode de réalisation de l'invention.

Description des modes de réalisation.

Des modes de réalisation de l'invention sont à présent décrits au moyen de figures. L'invention n'est toutefois pas limitée à ces seuls modes de réalisation. Les figures ont une vocation illustrative et ne doivent pas être interprétées comme limitant l'invention.

La figure 1 représente de manière schématique une pièce 100 selon l'invention.

La pièce comprend un substrat 10, en superalliage de nickel, et une sous-couche, comprenant une première couche 11 et une deuxième couche 12.

Comme décrit plus haut, la première couche 11 comprend une teneur atomique moyenne en aluminium supérieure à celle du substrat 10.

On ne sort pas du cadre de l'invention lorsque la première couche 11 comprend une pluralité de zones, chacune comprenant une teneur atomique moyenne en aluminium supérieure à celle de la zone sous-jacente. Par exemple, il est possible que la première couche 11 soit composée d'une pluralité de zones ayant chacune une épaisseur comprise entre 1 pm et 5 pm, la teneur atomique moyenne en aluminium dans chacune des zones étant supérieure à la teneur atomique moyenne en aluminium de la zone sous-jacente.

Par exemple, la teneur atomique moyenne en aluminium dans chaque zone de la première couche peut être jusqu'à 4 % supérieure, voire entre 2 et 4 % supérieure, à la teneur atomique moyenne en aluminium de la zone sous-jacente.

Egalement, la pièce 100 comprend une deuxième couche 12 dont la teneur moyenne en aluminium est supérieure à la teneur moyenne en aluminium de la première couche 11.

On ne sort pas du cadre de l'invention lorsque la deuxième couche 12 comprend une pluralité de zones, chacune comprenant une concentration en aluminium supérieure à celle de la zone sous-jacente.

Par exemple, il est possible que la deuxième couche 12 soit composée d'une pluralité de zones ayant une épaisseur comprise entre 1 pm et 5 pm, la teneur moyenne en aluminium dans chacune des zones étant supérieure à la teneur moyenne en aluminium de la zone sous-jacente.

Par exemple, la teneur atomique moyenne en aluminium dans chaque zone de la deuxième couche peut être jusqu'à 4 % supérieure, voire entre 2 % et 4 % supérieure à la teneur atomique moyenne en aluminium de la zone sous-jacente.

Il est également possible que la première 11 et la deuxième couche 12 comprennent chacune plusieurs zones telles que décrites ci-dessus.

Dans un mode de réalisation non représenté, la première zone de la première couche comprend une teneur atomique moyenne en aluminium de 2 à 4 % plus grande que la teneur atomique moyenne en aluminium dans le substrat, la deuxième zone de la première couche comprend une teneur atomique moyenne en aluminium de 2 à 4 % plus grande que la teneur atomique moyenne de la première zone, et ainsi de suite jusqu'à la deuxième couche, dont la première zone comprend une teneur atomique moyenne en aluminium de 2 % à 4 % plus grande que la dernière zone de la première couche, et ainsi de suite jusqu'à la dernière zone de la deuxième couche. Comme ci-dessus, les zones ont une épaisseur comprise entre 1 pm et 5 pm.

La variation progressive de la teneur en aluminium permet, dans tous les modes de réalisation envisagés ci-dessus, d'obtenir une sous-couche dont la partie supérieure présente une teneur atomique moyenne en aluminium plus élevée que celle du substrat, tout en minimisant les effets d'interdiffusion ou la création de zones de réaction secondaires grâce à une variation progressive de la teneur atomique moyenne en aluminium.

Comme décrit plus haut, il est entendu que la dernière zone de la deuxième couche comprend les phases y-Ni, y'-Ni ₃ AI et 0-NiAI.

Dans un mode de réalisation, la première couche 11 comprend entre 1 et 4 zones, et la deuxième couche 12 comprend entre 1 et 4 zones.

Dans un mode de réalisation, la première couche 11 comprend entre 1 ou 2 zones, et la deuxième couche 12 comprend entre 1 ou 2 zones.

Dans un mode de réalisation, la première couche 11 comprend une unique zone, et la deuxième couche 12 comprend une unique zone.

Il a également été observé qu'une sous-couche telle que décrite ci-dessus permet si cela est souhaité de déposer une couche de barrière thermique sur la face opposée au substrat de la deuxième couche en garantissant notamment une bonne adhérence de cette dernière.

L'augmentation progressive de la teneur atomique moyenne en aluminium dans une sous-couche telle que proposée permet d'assurer que chacune des couches composant la sous-couche soit suffisamment proche en composition pour présenter une grande adhérence avec la couche directement sous-jacente. L'augmentation progressive permet de passer de la première couche à la deuxième couche sans avoir besoin de changer le procédé de dépôt. En effet, la phase 0-NiAI apparaît naturellement à des teneurs en aluminium élevées et l'on passe ainsi simplement de la première à la deuxième couche. De plus, la présence de nombreuses zones dans la première et la deuxième zone augmente le nombre de joints de grains ce qui ralentit encore davantage l'interdiffusion du nickel ou de l'aluminium entre les couches.

Dans un mode de réalisation, du chrome est également présent dans la première et la deuxième couche. La quantité de chrome peut être ajustée selon les propriétés exactes souhaitées pour la sous-couche.

Dans un mode de réalisation, la teneur en chrome dans chacune des première et deuxième couches varie de manière opposée à la teneur en aluminium.

Dans un mode de réalisation, l'augmentation de la teneur atomique moyenne en aluminium dans la sous-couche métallique ou le cas échéant dans chacune des zones de chacune des couches de la sous-couche est intégralement compensée par une diminution de la teneur atomique moyenne en chrome dans ladite sous-couche.

Dans un mode de réalisation, la teneur atomique moyenne en chrome dans une couche, ou le cas échéant une zone d'une couche peut être comprise entre 7 % à 17 %.

Bien entendu, la teneur en chrome est choisie de telle sorte qu'elle n'affecte pas les structures y/y' ou y/y'/P souhaitées pour la première et la deuxième couche.

La figure 2 est une micrographie obtenue par microscopie électronique à balayage d'une pièce selon un mode de réalisation de l'invention.

Le substrat 20 est recouvert d'une première couche 21 et d'une deuxième couche 22.

Sur la micrographie présente en figure 2 les phases y et y' 211 apparaissent plus claires que les phases P 221.

Dans mode de réalisation, le dépôt peut être réalisé par un dépôt physique en phase vapeur. On peut notamment citer les méthodes de dépôt par pulvérisation cathodique, par ablation laser pulsé, par évaporation joule ou encore par impact d'électron. De préférence, la méthode de dépôt est choisie parmi la pulvérisation cathodique magnétron ou l'évaporation.

La figure 3 représente schématiquement un dispositif permettant de réaliser un dépôt par pulvérisation cathodique magnétron.

Dans une chambre 301, un gaz est introduit par l'entrée 306 et un plasma est généré entre la cible 305 disposée à proximité d'un aimant 304 et le substrat 311.

Par exemple, les paramètres suivants, pris dans leur définition habituelle pour un procédé de pulvérisation cathodique magnétron permet d'obtenir une sous-couche conforme à une pièce de l'invention. Le bombardement ionique peut être réalisé avec un potentiel compris entre -200 V à 400 V pendant 10 à 30 minutes. Le dépôt est réalisé une densité de puissance comprise entre 3 à 10 W/cm ² , un chauffage pendant le dépôt est compris entre 200 à 700°C, le bias est compris entre -150 V à - 300 V, et la pression est comprise entre 0,1 et 2,0 Pa.

Dans un mode de réalisation, plusieurs cibles correspondant aux matériaux à déposer sont introduites dans l'enceinte de dépôt physique en phase vapeur. On peut ainsi créer la sous-couche couche par couche, ou le cas échéant zone après zone, dans une unique enceinte, en ajustant les conditions de dépôt pour assurer que la composition de chaque couche, ou le cas échéant chaque zone de la première couche puis de la deuxième couche, ait la composition souhaitée.

Exemple

Plusieurs compositions comprenant des éléments en différentes teneurs, ont été simulées avec le logiciel JPMATPro-V10. Pour chacune de ces compositions, la teneur en chacune des phases y-Ni, y'-Ni ₃ AI et 0-NiAI a été déterminée par le logiciel.

Dans le tableau 1, les teneurs des éléments sont données en pourcentages atomiques et les teneurs des phases sont exprimées en pourcentages massiques.

Il est observé que la teneur en chacune des phases y-Ni, y'-Ni ₃ AI et 0-NiAI des compositions 1 à 3 satisfont aux conditions souhaitées pour la deuxième couche de la revendication 1, tandis que les compositions 4 et 5 n'y satisfont pas.

[Tableau 1]

Le tableau ci-dessus montre que ce n'est pas la teneur individuelle de chaque élément, mais bien un effet de la teneur en chacun des éléments qui est déterminante dans la présence ou non des phases y-Ni, y'-Ni3AI et 0-NiAI, et la proportion relative de chacune d'entre elles.