TITRE : PROCEDE DE COMPACTAGE D’UNE PEINTURE ANTI-CORROSION D’UNE PIECE DE TURBOMACHINE

Domaine de l’invention

La présente invention concerne le domaine des traitements ou préparations de surface de pièces mécaniques contre la corrosion. Elle vise en particulier, un procédé de compactage d’une peinture anti-corrosion recouvrant une pièce, en particulier une pièce de turbomachine.

Arrière-plan technique

Les pièces mécaniques, notamment celles employées dans les turbomachines d’aéronefs, sont exposées à des environnements contraignants en termes de températures, d’éléments corrosifs, et de réactions d’oxydations. Les pièces, telles que les arbres de compresseur et/ou de turbine, sont par exemple réalisées dans un acier ou un alliage d’acier à teneur de cobalt réduite de manière à présenter une résistance mécanique élevée. Ces aciers présentent une forte sensibilité aux phénomènes de corrosion qui se manifestent principalement par le développement de piqûres de corrosion qui consistent en des attaques localisées et profondes. Ces pièces sont également soumises à de fortes sollicitations mécaniques lors du fonctionnement de la turbomachine qui peuvent conduire à un développement de la corrosion. L’effet synergique contrainte/corrosion conduit à un accroissement notable des phénomènes de corrosion.

Certaines pièces ont été recouvertes par une peinture résistante aux températures élevées et aux différents éléments corrosifs et oxydatifs (kérosène, huile, etc.) pour que celles-ci résistent à l’environnement dans lequel elles évoluent, et notamment les protéger de la corrosion. Cette peinture étant composée en partie de trioxyde de chrome, a été classée comme CMR qui est l’acronyme de Cancérigène, Mutagène, Reprotoxique, et est frappée par le règlement « REACH » sur l'Enregistrement, l'Evaluation, l'Autorisation et les restrictions des substances CHimiques.

Afin de s’affranchir des contraintes liées à cette réglementation, une solution consistant à rendre la peinture anodique a été développée. Des exemples de cette solution sont décrites dans les documents FR-A1-2991216 et FR-A1 -3040013. En particulier, cette solution consiste à projeter sur la surface de la pièce une peinture liquide ayant un liant minéral et chargée de particules métalliques. Cette peinture est projetée via un pistolet manipulé par un opérateur ou un bras mécanique, et la pièce revêtue de peinture est ensuite chauffée dans un four pour polymériser la peinture projetée. Puis, la peinture polymérisée subit une action mécanique telle qu’un compactage afin de mettre en contact les particules métalliques sans dégrader l’aspect cosmétique et physique de la peinture en fonction du type de compactage réalisé. Cette action permet de réaliser une continuité électrique entre les particules métalliques de la peinture et les parties métalliques à traiter. La couche de peinture est ainsi rendue dense et conductrice électriquement pour en faire une couche sacrificielle qui se corrodera préférentiellement, en lieu et place du métal de la pièce à protéger. Nous parlons alors d'une peinture anodique pour désigner la couche sacrificielle rendue conductrice.

Le compactage consiste à sabler ou grenailler les parties peintes après polymérisation avec des particules de corindon blanc, de billes de verre, ou encore de particules de plastique. Toutefois, les particules utilisées pour le compactage peuvent s’incruster dans la peinture et à la surface de celle-ci. En fonctionnement, un relargage ou libération de ces particules peut intervenir, ce qui peut endommager d’autres organes de la turbomachine (roulements de paliers) qui sont sur la trajectoire de ces particules qui peuvent présenter une dureté très élevée comme le corindon (9,5 sur l’échelle de MOHS).

Pour limiter la libération des particules très dures, notamment à une vitesse très élevée, certaines pièces ne sont pas compactées ce qui entraîne une diminution des propriétés anti-corrosion du revêtement. L’autre alternative est de recouvrir la peinture anti-corrosion compactée d’une couche de finition pour contenir les éventuelles particules dans la peinture, ce qui rallonge la durée de fabrication de la pièce sans compter les différentes étapes nécessaires à la préparation de la pièce avant, pendant et après l’application de la peinture. De plus, la maîtrise des épaisseurs des différentes couches de peinture est délicate et en particulier sur des pièces présentant une configuration complexe.

Résumé de l’invention

La présente invention a notamment pour objectif de fournir une solution simple et efficace permettant d’assurer une densification d’une peinture anti-corrosion pour accroître la protection à la corrosion sans incrustation de particules dures et tout en évitant la dégradation de la peinture anti-corrosion.

Nous parvenons à cet objectif conformément à l’invention grâce à un procédé de compactage d’une peinture anti-corrosion comportant des particules métalliques d’une pièce mécanique telle qu’une pièce de turbomachine, la pièce mécanique s’étendant suivant un axe longitudinal X et comprenant une surface radialement externe revêtue d’une première couche de peinture anti-corrosion, le procédé comprenant au moins une étape de génération d’un faisceau laser sur la première couche de peinture anti-corrosion de manière à mettre en contact les particules métalliques et à rendre électriquement conductrice la peinture anti-corrosion.

Ainsi, cette solution permet d’atteindre l’objectif susmentionné. En particulier, l’utilisation d’au moins un faisceau laser évite le recours à l’utilisation de médias (plastiques, céramiques, métalliques, etc...) susceptibles d’être relargués ou libérés lorsque la pièce mécanique est entraînée en rotation. Ce type de compactage, engendrant la mise en contact des particules métalliques à base d’aluminium, pour obtenir la conductivité électrique et donc les propriétés anticorrosion, est obtenu par un apport énergétique en surface. Cet apport d'énergie permettra de modifier l’état du matériau des particules pour que celles-ci s'agglomèrent les unes avec les autres. L’intégrité physique de la peinture est de la sorte préservée. Enfin, ce procédé est facilement automatisable et permet de palier le relargage ou libération de particules étrangères sans besoin d’application d’un top coat et par conséquent un gain en matière de délai de fabrication et de coût.

Le procédé comprend également l’une ou plusieurs des caractéristiques ou étapes suivantes, prises seules ou en combinaison : le procédé comprend une étape d’installation de la pièce mécanique dans une enceinte destinée à recevoir un gaz inerte tel que l’azote ou l’argon. la mise en contact des particules métalliques est déterminée par un échauffement des particules métalliques à une valeur seuil de température inférieure ou égale à la température de fusion du matériau des particules métalliques. la puissance du faisceau de laser est comprise entre 200 et 1000 W. le faisceau laser est constitué d’un unique faisceau d’une longueur d’onde d’émission comprise entre 1000 et 1500 nm. le faisceau laser balaie la première couche de peinture anti-corrosion sur la pièce suivant une trajectoire hélicoïdale. le procédé comprend une étape de mise en déplacement du faisceau laser suivant une première direction orthogonale à l’axe longitudinal X, la pièce mécanique étant mise en rotation autour de l’axe longitudinal et en translation suivant l’axe longitudinal la pièce mécanique est creuse. la pièce mécanique comprend une surface radialement interne revêtue d’une deuxième couche de peinture anti-corrosion, et en ce que le faisceau laser est généré à l’intérieur de la pièce mécanique et réfléchi à l’intérieur de la pièce mécanique de manière à atteindre la deuxième couche de peinture anti-corrosion, le faisceau laser balayant la deuxième couche de peinture anti-corrosion suivant une trajectoire hélicoïdale la pièce mécanique est un arbre de turbomachine. le procédé comprend une étape de mise en déplacement de la source laser suivant une première direction orthogonale à l’axe longitudinal et suivant une deuxième direction parallèle à l’axe longitudinal, la pièce mécanique étant mise en rotation autour de l’axe longitudinal. le laser est de type Nd :YAG. les particules métalliques de la peinture comprennent de l’aluminium.

L’invention concerne un procédé de réalisation d’un revêtement anodique, le procédé comprenant les étapes suivantes : fourniture d’une pièce mécanique d’axe longitudinal, projection d’une peinture liquide chargée de particules métalliques sur au moins une surface de la pièce mécanique, polymérisation de la peinture projetée sur la pièce de manière à obtenir une couche de peinture anti-corrosion destinée à protéger la pièce, compactage de la peinture anti-corrosion de manière à obtenir une peinture anodique, le compactage comprenant au moins une projection d’un faisceau laser en direction de ladite peinture anti-corrosion de manière à mettre en contact les particules métalliques et à rendre électriquement conductrice la peinture anti-corrosion.

L’invention concerne également l’utilisation d’un faisceau de laser d’au moins une source de laser pour réaliser un compactage de peinture anti-corrosion revêtant une pièce mécanique, et en particulier une pièce de turbomachine.

L’invention concerne également une pièce mécanique, en particulier de turbomachine recouverte au moins en partie d’une peinture anti-corrosion compactée selon le procédé susmentionné.

Enfin, l’invention concerne une installation de compactage pour la réalisation d’un procédé de compactage d’une pièce mécanique comprenant : une enceinte, une pièce mécanique d’axe longitudinal comprenant au moins une surface radialement externe qui est revêtue d’une première couche de peinture anti-corrosion comportant des particules métalliques, la pièce mécanique étant installée dans l’enceinte, et un dispositif de compactage comprenant une source laser destinée à générer au moins un faisceau laser en direction de la première couche de peinture de manière à mettre en contact les particules métalliques et à rendre électriquement conductrice la peinture anti-corrosion.

Brève description des figures

L’invention sera mieux comprise, et d’autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description explicative détaillée qui va suivre, de modes de réalisation de l’invention donnés à titre d’exemples purement illustratifs et non limitatifs, en référence aux dessins schématiques annexés dans lesquels :

[Fig. 1] La figure 1 est une vue schématique d’une coupe axiale d’une pièce mécanique, telle qu’un arbre de turbomachine, installée dans une enceinte d’une installation de compactage selon l’invention ;

[Fig. 2] La figure 2 est une vue schématique, et en coupe radiale d’une pièce mécanique comprenant des couches de peinture sur ses surfaces radialement interne et externe selon l’invention;

[Fig. 3] La figure 3 représente l’agencement du dispositif de compactage pour rendre une couche de peinture, disposée à l’intérieur d’une pièce creuse, électriquement conductrice selon l’invention;

[Fig. 4] La figure 4 représente de manière schématique la trajectoire du balayage du laser sur une surface radialement externe de la pièce mécanique selon l’invention ; et [Fig. 5] La figure 5 illustre de manière schématique une couche de peinture anti-corrosion avec des zones affectées thermiquement par le laser selon l’invention.

Description détaillée de l’invention

Les figures 1 à 3 représentent respectivement suivant une coupe axiale, une pièce mécanique 1 , et en particulier d’une pièce mécanique de turbomachine d’aéronef dans une installation de compactage d’une peinture anti-corrosion qui revêt au moins une surface de la pièce mécanique 1.

Nous entendons par pièce mécanique des pièces destinées à assurer, en service, une fonction mécanique, ce qui implique que ces pièces aient une bonne tenue mécanique ainsi qu’une bonne résistance à la corrosion et à l'usure. Des arbres de turbomachine, et notamment des arbres de compresseurs et/ou de turbines sont ainsi des exemples de pièces mécaniques non exhaustives concernées par l’invention. Typiquement les arbres de turbomachine sont réalisés dans un matériau métallique ou un alliage métallique. Le matériau métallique ou l’alliage métallique comprend de l’acier par exemple. Comme nous pouvons le voir sur les figures 1 à 3, la pièce mécanique 1 est un arbre de turbomachine qui s’étend suivant un axe longitudinal X. L’arbre de turbomachine est ici creux. L’arbre comprend une surface radialement externe 2 et une surface radialement interne 3 opposées suivant un axe radial perpendiculaire Z l’axe longitudinal X.

Nous rappelons que, préalablement au procédé de compactage, la surface radialement externe de la pièce 1 est revêtue d’une première couche 4 de peinture anti-corrosion illustrée schématiquement sur la figure 2. La peinture est une peinture inorganique ou toute peinture comprenant des particules métalliques. En particulier, une peinture liquide chargée de particules métalliques est pulvérisée sur la surface de la pièce. Avantageusement, les particules métalliques sont des particules d’aluminium. Des exemples de peintures anti corrosion appliquées sur la surface des pièces sont celles connues sous la marque Sermetel W® ou Maberbind CF®.

Après projection de la peinture, la pièce 1 revêtue est polymérisée de manière que la peinture durcisse et forme la peinture anti-corrosion destinée à protéger la pièce.

La peinture anti-corosion est ensuite compactée. Pour cela, le compactage est réalisé dans une installation de compactage 5. Nous entendons par le terme compactage, dans la présente invention, le fait d’utiliser une énergie externe à la surface de la pièce revêtue de la couche de peinture à particules métalliques de manière à modifier au moins en partie l’état de la matière et à mettre les particules métalliques en contact. De la sorte, la peinture anti-corrosion est densifiée et la mise en contact des particules métalliques de la peinture augmente la tenue à la corrosion de celle-ci. La peinture est rendue électriquement conductrice. Nous obtenons alors un revêtement anodique.

L’installation 5 comprend un dispositif de compactage 6 lequel est équipé d’une tête 7 reliée à une source d’énergie destinée à apporter de l’énergie en surface de la première couche 4 de peinture anti-corrosion. La source d’énergie est pilotée par un système électronique de commande 8 de l’installation. Typiquement, le système électronique de commande 8 est équipé d’au moins un microcontrôleur 9 et d’une mémoire 10 où de nombreux paramètres au compactage sont enregistrés.

Dans le présent exemple, la source d’énergie est configurée pour générer ou projeter au moins un faisceau laser primaire 11 sur la peinture revêtant la pièce mécanique de turbomachine. La longueur d’onde d’émission de sortie du faisceau laser est comprise entre l’ultraviolet (UV) et l’infrarouge (IR). La puissance du laser est comprise entre 200 et 1000 Watt (W).

Le dispositif de compactage 6 est avantageusement installé dans une enceinte 12 prévue à cet effet. L’enceinte 12 est fermée par exemple au moyen d’une porte par laquelle la pièce 1 est introduite. La génération du faisceau de laser 11 est réalisée sous protection gazeuse afin d’éviter toute oxydation de la peinture lors de réchauffement ou élévation de la température des particules métalliques et conserver les propriétés anticorrosion de la peinture. Le gaz utilisé est un gaz inerte tel que de l’Argon ou de l’Azote.

Avantageusement, le flux de gaz inerte est projeté au moyen d’au moins une buse 13 coaxiale au faisceau laser de sorte que la zone la plus critique (qui reçoit en direct le faisceau laser) soit constamment protégée par une atmosphère neutre. Le système électronique de commande 8 est également relié à la buse de projection de flux de gaz inerte. De manière alternative, le flux de gaz inerte est projeté au moyen d’une buse qui est agencée à proximité du faisceau laser de sorte que le flux de gaz protège la zone critique et son environnement proche également.

La mise en contact des particules métalliques est déterminée par un échauffement des particules métalliques à une valeur seuil de température inférieure ou égale à la température de fusion du matériau des particules métalliques. Dans le présent exemple, la température de fusion des particules métalliques s’agissant de l’aluminium est de l’ordre de 660°C. La valeur seuil de température inférieure à la température de fusion du métal est possible grâce au retrait thermique du liant (contraction du réseau silicaté) et au fluage des particules métalliques.

L’échauffement des particules métalliques (et de la couche de peinture) est défini par une focalisation du faisceau laser et d’une énergie linéique. En particulier, la focalisation du faisceau est maîtrisée par l’ajustement de l’ouverture d’un diaphragme qui permet de gérer la taille du faisceau laser. L’échauffement du matériau des particules entraîne un changement d’orientation comme expliqué ci-après.

L’énergie linéique (EL) du laser (connu en anglais par l’expression « Linear Energy Density ») est ajustée en fonction des paramètres de la peinture (épaisseur, comportement, etc.) et des propriétés de conductivité de celle-ci. Dans la présente invention, l’énergie linéique correspond au rapport entre la puissance du laser P (exprimée en Joule (J)/seconde (s)) et la vitesse de balayage du laser V exprimée en millimètre (mm)/s. L’énergie linéique est exprimée en J/mm. En effet, une énergie linéique trop faible pourrait créer des défauts de type manque de liaison entre les particules et éventuellement une dégradation de la qualité des propriétés conductrice de la couche sacrificielle. A l’inverse, une énergie est trop élevée pourrait entraîner une fusion trop importante des particules d'aluminium et entraîner une couche hétérogène de la peinture (porosités, épaisseur).

Avantageusement, mais non limitativement, la source de laser est de type Nd :YAG (grenat d'yttrium-aluminium) dopé au néodyme. Ce type de laser génère une énergie compatible au besoin énergétique pour cette application. La longueur d’onde d’émission du faisceau laser est de l’ordre de 1064 nanomètres (nm). La puissance du faisceau laser est comprise entre 200 et 400 Watt (W).

En référence à la figure 4 et afin de fournir une conductivité uniforme dans la couche 4 de peinture, le balayage du laser sur la peinture anti-corrosion est réalisé suivant une trajectoire hélicoïdale 110 ou en tire-bouchon. La peinture ici présente une épaisseur comprise entre 20 et 90 pm. Le faisceau laser est appliqué à la surface de la peinture avec un taux de recouvrement Re de l’ordre de 10% et une largeur de bande Lb de l’ordre de 1 mm. L’énergie linéique dépend de la source, de la focalisation du faisceau laser et du type de peinture.

Dans la présente invention, nous entendons par l’expression « trajectoire hélicoïdale » le tracé du faisceau laser sur la peinture anti-corrosion correspondant à un déplacement en translation suivant une première direction et un déplacement en rotation dans un plan orthogonal à la première direction du faisceau laser par rapport à la pièce ou de la pièce par rapport au faisceau laser.

Dans un mode de réalisation, l’arbre de turbomachine est mis en rotation autour de l’axe longitudinal X et se déplace suivant l’axe longitudinal et de préférence de manière simultanée. Avantageusement, le déplacement de l’arbre est une translation. Pour cela, l’installation de compactage 5 comprend un élément de mise en rotation 14 de l’arbre qui est monté sur un bâti 15. Des paliers de guidage 16 montés sur le bâti permettent la mise en rotation de l’arbre par rapport au bâti. L’élément de mise en rotation 14 est avantageusement un moteur électrique ou thermique. Le moteur est relié au système électronique de commande 8 qui pilote la rotation du moteur dans un sens ou dans un autre sens. De même, la tête 7 de génération du laser se déplace suivant une direction r qui est parallèle à l’axe radial Z. Il s’agit ici d’une translation également. En d’autres termes, la tête de génération du laser sera fixe suivant les directions I et t. Les termes « »sont utilisés pour le déplacement de la tête de laser. La tête 7 se déplacera suivant la direction r de manière à régler la focalisation du laser et à s’adapter à la géométrie de l’arbre de turbomachine. L’arbre mis en rotation avance selon un pas prédéterminé. Le pas peut être de l’ordre de 1 mm/tour. La concaténation de la rotation et de la translation de l’arbre de turbomachine permettront un balayage du laser suivant la trajectoire hélicoïdale. Avantageusement, mais non limitativement, le système électronique de commande est relié au dispositif de compactage 6 de manière à piloter le déplacement de la tête 7.

Suivant un autre mode de réalisation, l’arbre de turbomachine est mis en rotation autour de l’axe longitudinal et la tête 7 du dispositif de compactage 6 se déplace suivant la direction r et suivant une direction parallèle à l’axe longitudinal X de manière à obtenir le balayage du laser suivant une trajectoire hélicoïdale.

Dans le présent exemple de réalisation, la surface radialement interne 3 de l’arbre comprend également une couche de peinture anticorrosion dite «deuxième couche de peinture » 4’ comportant des particules métalliques. Cette deuxième couche 4’ de peinture anti-corrosion est identique à la première couche 4. De manière alternative, la première et la deuxième couches 4, 4’ sont différentes.

Afin d’atteindre la deuxième couche 4, 4’ de peinture (située à l’intérieur de l’arbre), un organe de déviation 17 est installé à l’intérieur de l’arbre de turbomachine. L’organe de déviation 17 est monté pivotant à l’intérieur de l’arbre et son pivotement est piloté par le système électronique de commande 8 auquel celui-ci est relié. Avantageusement, l’organe de déviation 17 est un miroir à renvoi. De la sorte, le faisceau laser qui arrive sur le miroir est réfléchi sur la deuxième couche de peinture. Le balayage de cette deuxième couche 4’ de peinture est réalisé de la même manière que pour la première couche de peinture 4, c’est-à-dire suivant une trajectoire hélicoïdale.

La figure 5 illustre une couche 4 ou 4’ de peinture anti-corrosion avec des particules d’aluminium présentant une épaisseur de l’ordre de 20 à 90 pm. En fonction de la focalisation du faisceau laser celui-ci se diffusera plus ou moins dans toute l’épaisseur de la couche de peinture. Par exemple, une focalisation de 100% génère une zone Z1 dont la profondeur est sensiblement égale à l’épaisseur de la couche de peinture. En revanche une focalisation de l’ordre de 40% génère une zone Z2 dont la profondeur est inférieure à l’épaisseur de la couche 4, 4’ de peinture. Nous allons maintenant décrire le procédé de compactage de la pièce de turbomachine, à l’aide de l'installation 5 décrite ci-dessus. Le procédé comprend une étape d’installation de la pièce mécanique dans l’enceinte 12. La pièce est mise en rotation par le système électronique de commande 8. Simultanément ou après l’étape de mise en rotation, un faisceau laser est généré sur la couche 4 de peinture revêtant la pièce 1. La pièce mécanique 1 est également déplacée en translation suivant l’axe longitudinal sorte que le laser balaie la couche de peinture suivant la trajectoire hélicoïdale. Pendant cette étape de génération, l’apport d'énergie permettra d'amener la température des particules d'aluminium à une valeur correspondant à celle de leur température de fusion ou à une valeur inférieure à celle-ci de sorte que les particules soient fondues ou partiellement fondues et puissent s'agglomérer les unes avec les autres. Nous comprenons que cela permet un changement d’orientation ou déplacement des particules métalliques pour la mise en contact. Les particules en contact réalisent une continuité électrique. De même, le gaz inerte est projeté dans l’enceinte concomitamment à l’étape de génération du laser.

Ultérieurement, le miroir (organe de déviation 17) est installé à l’intérieur de la pièce creuse et la deuxième couche 4’ est balayée avec le faisceau laser suivant également une trajectoire hélicoïdale.