TEL NOYAU METALLIQUE

DOMAINE DE L'INVENTION

La présente invention concerne le domaine de la fabrication de pièces métalliques, et en particulier la fabrication d’un bouclier de bord d’attaque d’une aube d’un ensemble rotatif présent au sein d’une turbomachine.

ETAT DE LA TECHNIQUE

Les aubes des ensembles rotatifs de turbomachine, telles que les aubes de compresseur et de turbine, sont couramment réalisées en alliage métallique renforcé. Pour la soufflante, les aubes de soufflante sont parfois réalisées en matériau composite à matrice organique, afin notamment de réduire leur poids.

Les aubes de soufflante sont soumises à des contraintes mécaniques importantes, dues à la vitesse de rotation de l’ensemble rotatif et au flux d’air traversant la veine d’air entre les aubes.

Bien que les aubes en matériau composite résistent à ces contraintes, elles sont particulièrement sensibles aux impacts ponctuels causés par des éléments étrangers à la turbomachine, tels que des débris, qui percutent les aubes et peuvent causer des phénomènes de délaminage.

En référence à la figure 1 , les éléments étrangers à la turbomachine entrent au contact de l’aube 1 au niveau de son bord d’attaque 2, c’est-à-dire de la section avant ou amont de l’aube qui fait face à l’air entrant dans l’ensemble rotatif. Le bord d’attaque 2 est opposé au bord de fuite 3, qui est la section arrière ou aval de l’aube au niveau de laquelle l’air sort de l’ensemble rotatif. Le bord d’attaque 2 et le bord de fuite 3 de l’aube sont reliés par l’intrados 4 et l’extrados 5 de l’aube 1 , qui forment les deux faces latérales de l’aube.

Pour prévenir les désagréments causés par les impacts ponctuels, les aubes 1 sont munies de boucliers 10, qui sont typiquement réalisés en matériau métallique très résistant tel que des alliages de titane, et qui sont agencés sur l’aube de manière à recouvrir le bord d’attaque. De manière générale, comme l’illustre plus en détail la figure 2, ce type de bouclier 10 est muni d’un corps de bouclier 1 1 duquel s’étendent une ailette intrados 12 et une ailette extrados 13 qui délimitent une cavité interne 14. Les ailettes intrados 12 et extrados 13 sont configurées pour être insérées dans la structure respectivement de l’intrados et de l’extrados de l’aube, de sorte que le bord d’attaque 2 de l’aube 1 vient se loger dans la cavité interne 14 du bouclier, et le corps 1 1 du bouclier recouvre le bord d’attaque 2 de l’aube et protège ainsi ce dernier du flux d’air amont entrant dans la veine d’air de l’ensemble rotatif.

Parmi les techniques existantes permettant de fabriquer les boucliers 10 de bord d’attaque, il existe la technique dite de « conformage par noyau », telle que décrite dans le document WO 201 1 1 14073.

La technique de conformage par noyau consiste à réaliser une compression isostatique à chaud d’une tôle d’intrados 21 et d’une tôle d’extrados 22, afin de les conformer à un noyau 20 rigide en matériau réfractaire préalablement positionné entre ces tôles.

Plus précisément, comme l’illustre la figure 3, les tôles d’intrados 21 et d’extrados 22, comprenant généralement un alliage à base de titane, sont d’abord mises en forme, typiquement par matriçage, afin de les rapprocher de la forme de l’intrados et de l’extrados du bouclier d’attaque à fabriquer. Sur la figure 3, seule la tôle d’intrados est représentée.

Conformément aux figures 4 et 5A, les tôles 21 , 22 sont ensuite positionnées autour du noyau 20 de manière à enserrer ledit noyau. La forme de la surface du noyau 20 correspond à la forme de la surface interne, c’est-à-dire de la cavité interne 14, du bouclier à fabriquer.

On réalise ensuite une compression isostatique de l’ensemble formé par le noyau 20 et les tôles 21 , 22. De manière connue en soi, une compression isostatique consiste à compresser une pièce mécanique sous haute pression et à haute température dans une enceinte fermée, ce qui entraîne une réduction isométrique des dimensions de la pièce mécanique.

Le noyau 20 est extrait du bouclier obtenu 10, et ledit bouclier est usiné uniquement sur sa surface extérieure 15 pour obtenir le produit final. L’usinage de la surface externe du bouclier peut également être réalisé avant le retrait du noyau du bouclier.

La figure 5B illustre les tôles d’intrados 21 et d’extrados 22 avant et après leur conformation sur le noyau métallique 20 pour former le bouclier 10 de bord d’attaque d’aube.

La technique de conformage par noyau offre l’avantage de maîtriser la forme de la surface interne, c’est-à-dire la forme de la cavité interne, du bouclier, puisqu’elle est une réplique de la surface du noyau. Dès lors, aucun usinage de la cavité interne du bouclier n’est nécessaire contrairement à d’autres techniques connues.

Lorsqu’il est réalisé avant le retrait du noyau, l’usinage de la surface externe du bouclier est maîtrisé et facilité grâce à la présence du noyau qui rigidifie l’ensemble tout en permettant d’avoir des référentiels dimensionnels intégrés. Enfin, cette technique présente des coûts de mise en oeuvre inférieurs à ceux des techniques connues, grâce au fait qu’un même noyau peut être réutilisé pour fabriquer d’autres boucliers de bord d’attaque.

Pour mettre en oeuvre la technique de conformage par noyau, le noyau doit présenter trois caractéristiques principales en relation avec le fait que l’étape de conformage s’effectue via un cycle thermomécanique à haute température, de l’ordre de 800 - 1000°C, durant lequel le noyau est en contact avec les tôles en alliage de titane pendant plusieurs heures :

1 ) le noyau doit être indéformable dans la gamme thermomécanique de fabrication du bouclier de bord d’attaque, afin d’assurer la forme de la cavité du bouclier. Cette caractéristique est liée au choix du matériau de noyau, et permet d’éviter d’avoir à usiner la cavité du bouclier ;

2) il ne doit y avoir aucune réaction chimique entre le matériau du noyau et le matériau des tôles métalliques formant le bouclier. Cette caractéristique permet d’éviter ou au moins de réduire au maximum la décontamination chimique de la cavité du bouclier ;

3) Il ne doit y avoir aucune adhérence ou collage entre le matériau du noyau et le matériau des tôles métalliques formant le bouclier. Cette caractéristique conditionne la réutilisation du noyau et donc la viabilité économique de la technique de conformage par noyau.

Les caractéristiques 2) et 3) sont liées, en ce sens qu’une réaction chimique entre le matériau du noyau et le matériau des tôles métalliques augmente l’adhérence entre la surface du noyau et la cavité du bouclier, et nécessite donc un traitement particulier du noyau.

En effet, les alliages métalliques généralement retenus pour le noyau sont des alliages à base de nickel ou de cobalt, ceux-ci étant suffisamment rigides pour ne pas se déformer lors des cycles de conformage à haute température. Lorsque ces alliages sont mis en contact à haute température avec les alliages de titane (type a+b) des tôles, ils réagissent avec ces derniers et forment des solutions solides ou des composés intermétalliques, ce qui conduit à une contamination de l’alliage de titane des tôles, voire à un collage rédhibitoire entre le nickel ou le cobalt du noyau et le titane des tôles.

Dans cette situation, il apparaît donc indispensable de traiter le noyau préalablement à la conformation à chaud des tôles de manière adaptée pour éviter la contamination et le collage du noyau au bouclier. Une solution à ce problème consiste à intercaler une barrière de diffusion entre les deux alliages métalliques en contact avant de leur faire subir la compaction isostatique à haute température.

Cette solution, détaillée dans le document WO 2017178742, consiste à réaliser une nitruration ou une carbonitruration du noyau à base de nickel ou de cobalt. Ce traitement génère une couche superficielle riche en azote et en carbone de quelques dizaines de microns en surface du noyau, qui joue le rôle de barrière anti-diffusion.

Plus précisément, la nitruration et la carbonitruration consistent à diffuser de l’azote dans le cas de la nitruration, ou à la fois de l’azote et du carbone dans le cas de la carbonitruration, dans le noyau, à travers la surface du noyau. Ces techniques permettent de faire diffuser l’azote et/ou le carbone en profondeur dans le noyau métallique et de créer en surface du noyau métallique une couche de matériau enrichi en nitrure, en carbure, ou en carbonitrure métallique.

La nitruration et la carbonitruration sont des techniques réactives. En d’autres termes, l’azote et le carbone réagissent avec les différents éléments présents dans l’alliage métallique du noyau, afin de former des composés chimiques que sont les nitrures, les carbures, et les carbonitrures dans la couche de surface du noyau. Parmi ces éléments du noyau, certains forment des carbures, par exemple le chrome, le fer, le molybdène, le tungstène, le titane, le tantale, le niobium, et l’aluminium, d’autres forment des nitrures, par exemple le chrome, le fer, le molybdène, le tungstène, le titane, le tantale, le niobium, et l’aluminium, et d’autres encore forment des carbonitrures, par exemple le titane, le tantale, et le fer.

Malgré son efficacité apparente, en ce que la couche anti-diffusion enrichie en azote et en carbone limite la diffusion des éléments et composés chimiques entre le noyau et le bouclier, cette technique présente néanmoins des carences quant à l’efficacité de cette couche.

Des traces de contamination sur la surface de la cavité du bouclier de bord d’attaque obtenu ainsi que des dégradations de la couche anti-diffusion sont observables dès le premier cycle de compression isostatique, c’est-à-dire dès la première utilisation du noyau pour former un premier bouclier. Ces inconvénients limitent fortement la possibilité de réutiliser le noyau pour fabriquer d’autres boucliers en grand nombre, par exemple au moins plusieurs dizaines voire plusieurs centaines, et grève ainsi le modèle économique de cette technique. EXPOSE DE L'INVENTION

L’invention a donc pour but de remédier aux inconvénients de l’art antérieur.

L’invention propose un procédé de fabrication d’un noyau métallique et un procédé de fabrication d’un bouclier de bord d’attaque d’une aube à partir d’un tel noyau métallique, qui visent en particulier à diminuer fortement, voire à supprimer, la diffusion des espèces chimiques et des composés chimiques entre le noyau et les tôles métalliques destinées à former le bouclier, pendant la conformation à chaud desdites tôles autour du noyau. L’invention se rapporte également à un tel noyau métallique.

A cette fin, selon un premier aspect, l’invention propose un procédé de fabrication d’un noyau métallique pour la conformation à chaud d’un bouclier de bord d’attaque d’une aube de turbomachine, dans lequel le noyau métallique comprend un substrat comprenant un alliage à base de nickel ou de cobalt. Le procédé comprend une étape de dépôt sur le substrat du noyau d’au moins une couche de revêtement anti-diffusion comprenant au moins un composé céramique à base de nitrure de titane.

On entend par « alliage à base de nickel » et « alliage à base de cobalt » un alliage comprenant majoritairement du nickel ou du cobalt, c’est-à-dire un alliage dans lequel la teneur massique en nickel ou en cobalt respectivement est majoritaire devant celle des autres éléments chimiques de l’alliage.

On entend par « composé céramique à base de nitrure de titane » un composé céramique comprenant majoritairement du nitrure de titane TiN, c’est-à-dire un composé céramique dans lequel la teneur massique en nitrure de titane est majoritaire devant celle des autres éléments chimiques du composé.

Selon d’autres aspects, le procédé de fabrication d’un noyau métallique proposé présente les différentes caractéristiques suivantes prises seules ou selon leurs combinaisons techniquement possibles :

^■ le composé céramique de la couche de revêtement anti-diffusion comprend un ou plusieurs des composés céramiques suivants : nitrure de titane (TiN), carbonitrure de titane (TiCN), aluminonitrure de titane (TiAIN) ;

■ la couche de revêtement anti-diffusion est déposée selon l’une des techniques suivantes : dépôt chimique en phase vapeur (CVD), dépôt physique en phase vapeur (PVD), pulvérisation réactive, évaporation réactive assistée par plasma (ERAP);

^■ le dépôt de la couche de revêtement anti-diffusion est réalisé sans modification de la structure physico-chimique du noyau métallique sur lequel est déposée ladite couche de revêtement ; ^■ Le procédé de fabrication comprend en outre, préalablement au dépôt de la couche de revêtement anti-diffusion, le dépôt d’une couche intermédiaire, agencée entre le noyau et la couche de revêtement anti-diffusion dans le bouclier de bord d’attaque fabriqué, ladite couche intermédiaire comprenant un matériau dont le coefficient de dilatation thermique est compris entre le coefficient de dilatation thermique du noyau et le coefficient de dilatation thermique du composé céramique de la couche de revêtement anti-diffusion.

Selon un deuxième aspect, l’invention propose un noyau métallique pour la conformation à chaud d’un bouclier de bord d’attaque d’une aube de turbomachine, comprenant un substrat comprenant un alliage à base de nickel ou de cobalt. Le noyau métallique comprend en outre une couche de revêtement anti-diffusion déposée sur le substrat, ladite couche de revêtement anti-diffusion comprenant au moins un composé céramique à base de nitrure de titane.

La couche de revêtement est une couche distincte du substrat du noyau, déposée sur le substrat pour former le noyau métallique, contrairement au noyau du document WO 2017178742 dans lequel du carbone et de l’azote ont diffusé dans la structure du substrat, ce qui induit une modification physico-chimique de ladite structure. En particulier, la diffusion de carbone et d’azote modifie la surface du substrat, tandis que le dépôt d’une couche de revêtement conformément à l’invention permet de former une bonne interface entre le substrat et ladite couche de revêtement.

Selon un mode de réalisation préféré, le composé céramique de la couche de revêtement anti-diffusion comprend un ou plusieurs composés céramiques suivants : nitrure de titane (TiN), carbonitrure de titane (TiCN), aluminonitrure de titane (TiAIN).

Selon un troisième aspect, l’invention propose un procédé de fabrication d’un bouclier de bord d’attaque d’une aube de turbomachine en matériau composite, à partir de tôles métalliques préformées comprenant un alliage à base de titane et dont la forme d’une première tôle métallique est proche de l’intrados du bouclier et la forme d’une deuxième tôle métallique est proche de l’extrados du bouclier. Le procédé comprend les étapes suivantes :

- fabrication d’un noyau métallique tel que décrit précédemment,

- positionnement des tôles métalliques autour du noyau métallique,

- conformation à chaud des tôles métalliques autour du noyau métallique,

- extraction du noyau métallique. DESCRIPTION DES FIGURES

D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante donnée à titre d’exemple illustratif et non limitatif, en référence aux figures annexées suivantes :

la figure 1 est une vue en perspective d’un bouclier d’aube ainsi que d’une aube comprenant un tel bouclier, d’un ensemble rotatif d’une turbomachine, depuis le côté amont de l’aube,

la figure 2 est une vue de dessus du bouclier de bord d’attaque de l’aube de la figure 1 , la figure 3 est une vue en perspective d’une tôle préformée destinée à former une partie d’un bouclier de bord d’attaque d’aube,

la figure 4 est une vue en perspective qui illustre le positionnement et l’assemblage d’un noyau avec une tôle d’intrados et une tôle d’extrados,

la figure 5A est une vue en perspective de face de l’ensemble formé par le noyau et les tôles d’intrados et d’extrados qui entourent le noyau,

la figure 5B est une vue en perspective de côté des tôles d’intrados et d’extrados après leur conformation sur le noyau métallique pour former le bouclier,

la figure 6A est une image obtenue par microscopie optique à balayage (MEB) d’un substrat ayant subi un sablage sur lequel a été déposée une couche de nitrure de titane TiN, la figure 6B est un spectre obtenu par spectrométrie à décharge luminescente (SDL) du substrat de la figure 6A,

la figure 7A est une image MEB d’un substrat ayant subi un sablage sur lequel a été déposée une couche d’aluminonitrure de titane TiAIN,

la figure 7B est un spectre SDL du substrat de la figure 7A,

la figure 8A est une image MEB d’un substrat ayant subi un sablage sur lequel a été déposée une couche de carbonitrure de titane TiCN,

la figure 8B est un spectre SDL du substrat de la figure 8A,

la figure 9 est une image MEB d’un ensemble selon l’invention d’un noyau métallique positionné entre une tôle métallique d’intrados et une tôle métallique d’extrados, dans lequel le noyau est recouvert une couche de revêtement anti-diffusion comprenant un composé céramique à base de nitrure de titane. DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION DE L'INVENTION

Procédé de fabrication d’un noyau métallique

Un premier objet de l’invention concerne un procédé de fabrication d’un noyau métallique. Ce noyau métallique sert par la suite d’élément de conformation pour deux tôles métalliques, respectivement une tôle d’intrados et une tôle d’extrados, qui sont agencées autour et au contact du noyau, afin de fabriquer un bouclier de bord d’attaque d’une aube dans un élément rotatif d’une turbomachine. Le procédé de fabrication d’un tel bouclier constitue un deuxième objet de l’invention qui sera décrit après le procédé de fabrication du noyau métallique.

Le noyau métallique comprend un alliage à base de nickel ou de cobalt.

L’alliage à base de nickel ou de cobalt comprend de préférence au moins 40% en poids de nickel ou de cobalt, et de manière davantage préférée au moins 50% en poids de nickel ou de cobalt, par rapport au poids total de l’alliage du noyau.

L’alliage à base de nickel ou de cobalt comprend éventuellement un ou plusieurs autres éléments chimiques, tels que : le chrome, le fer, le molybdène, le tungstène, le titane, le tantale, le niobium, et l’aluminium.

Selon une première étape du procédé de fabrication du noyau, on dépose sur le noyau métallique, jouant le rôle d’un substrat, au moins une couche de revêtement anti-diffusion. Ladite couche de revêtement comprend au moins un composé céramique à base de nitrure de titane.

La couche de revêtement est déposée sur la surface du noyau, et forme ainsi une couche en tant que telle, d’une épaisseur donnée, dont la composition chimique est différente de celle du noyau. Le noyau n’est pas consommé lors du dépôt de la couche de revêtement.

Le composé céramique à base de nitrure de titane comprend de préférence au moins 50% atomique de nitrure de titane, par rapport au poids total du composé céramique de la couche de revêtement.

Le composé céramique à base de nitrure de titane peut comprendre d’autres éléments chimiques et/ou composés chimiques en plus du binaire nitrure de titane TiN. Par exemple, les composés suivants sont des composés céramiques à base de nitrure de titane :

- TiAIN : nitrure de titane et d’aluminium, caractérisé par la présence d’aluminium Al en plus du nitrure de titane TiN ;

- TiCN : carbonitrure de titane, caractérisé par la présence de carbone C en plus du nitrure de titane TiN ; La couche de revêtement est inerte physiquement et chimiquement vis-à-vis des tôles métalliques en titane avec lesquelles ladite couche entre en contact lors de la fabrication ultérieure du bouclier.

De plus, la présence d’un composé céramique à base de nitrure de titane confère à la couche de revêtement une fonction de barrière anti-diffusion. En d’autres termes, cette couche empêche les échanges physico-chimiques entre le noyau et les tôles métalliques, tel que notamment le transfert d’un ou plusieurs éléments chimiques depuis le noyau vers les tôles métalliques et inversement.

On limite dès lors la contamination de la cavité interne du bouclier obtenu par des éléments de l’alliage à base de nickel ou de cobalt du noyau, ainsi que la contamination du noyau par des éléments de l’alliage métallique des tôles destinées à former le bouclier.

On limite également l’adhérence du noyau aux tôles métalliques qui, dans les techniques de l’état de l’art, aboutit au collage du noyau au bouclier obtenu, et nécessite des opérations supplémentaires de séparation du noyau et du bouclier qui, en plus de représenter un coût supplémentaire important, détériorent la structure du noyau au niveau de sa surface. Conformément à l’invention, le noyau recouvert de la couche de revêtement n’adhère pas au bouclier obtenu.

Le noyau non contaminé et intègre structurellement peut ainsi être réutilisé un grand nombre de fois pour la fabrication d’autant de boucliers de bord d’attaque, sans dégradation de sa structure ni de ses propriétés physico-chimiques.

Par ailleurs, comme indiqué dans le tableau 1 ci-dessous, qui regroupe certaines propriétés thermomécaniques de différents matériaux de revêtement potentiels, le nitrure de titane TiN présente un module d’Young de 250 GPa (Giga Pascal) et un coefficient de dilatation thermique de 9,4*1 O^K ¹ (degrés Kelvin) à 20°C (degrés Celsius). Par comparaison, l’alliage à base de nickel du noyau présente un module d’Young de 225 GPa et un coefficient de dilatation thermique de 11 ,5 ^* 10 ⁶ K ¹ à 20°C.

Tableau 1 : propriétés theimomécaniques de matériaux de revêtements potentiels

Ainsi, comme le noyau, le composé céramique de la couche de revêtement n’est pas déformable dans la gamme thermomécanique de fabrication d’un bouclier de bord d’attaque, et présente ainsi une bonne stabilité thermodynamique. La couche de revêtement conserve son intégrité structurelle lors de la fabrication du bouclier à haute température et haute pression.

Par ailleurs, le composé céramique à base de nitrure de titane présente un module d’Young et un coefficient de dilatation thermique relativement proches de ceux de l’alliage à base de nickel du noyau, ce qui confère un comportement thermomécanique relativement similaire à ces deux matériaux.

Une première conséquence est que, lorsque l’alliage du noyau et le composé céramique de la couche de revêtement sont sollicités thermiquement et mécaniquement par compression isostatique au cours de la fabrication du bouclier, les risques de fissuration, généralement engendrés par différentiel de dilatation entre deux matériaux au contact l’un de l’autre, sont moindres.

Une deuxième conséquence est que la couche de revêtement présente une bonne adhérence sur le noyau métallique.

Ces deux conséquences améliorent encore la réutilisabilité du noyau pour produire plusieurs boucliers de bord d’attaque d’aube. Le noyau, incluant la couche de revêtement, conservera son intégrité structurelle et ses propriétés anti-diffusion lors de ses réutilisations, garantissant ainsi une contamination moindre par le noyau des différents boucliers de bords d’attaque fabriqués.

Du fait de sa capacité à conserver son intégrité structurelle et son adhérence sur le noyau pendant de très nombreux cycles de conformation à chaud, au moins plusieurs dizaines de cycles, la couche de revêtement anti-diffusion peut être désignée comme étant une couche d’un revêtement permanent.

Selon un mode de réalisation, le composé céramique à base de nitrure de titane de la couche de revêtement comprend du carbonitrure de titane TiCN. Ce composé céramique confère à la couche de revêtement une stabilité accrue comparativement au nitrure métallique simple TiN.

En effet, les nitrures métalliques (par exemple le nitrure de chrome CrN et le nitrure de titane TiN entre autres) sont peu stables sous vide et peuvent parfois conduire à des pertes d’azote lors d’un maintien du composé céramique à haute température, selon les conditions de température et de pression employées. Cela peut être préjudiciable, car si la couche de revêtement rejette de l’azote lors du cycle de conformation à chaud :

- l’azote rejeté est susceptible de venir contaminer la surface interne des tôles à souder par diffusion, et ainsi de potentiellement dégrader la qualité de conformation des tôles,

- la perte d’azote de la couche de revêtement est susceptible de dégrader ses propriétés anti-diffusion ainsi que son intégrité structurelle, ce qui réduirait le nombre de réutilisations possibles du noyau.

Le phénomène de perte d’azote sous vide lors d’un maintien à haute température est réduit pour les carbonitrures. Ainsi, un composé céramique à base de carbonitrure de titane TiCN, bien que plus rigide que le nitrure de titane TiN (module d’Young de 600 GPa pour

TiCN contre 250 GPa pour TiN), permet de maximiser la stabilité de la couche de revêtement.

Selon un autre mode de réalisation, le composé céramique à base de nitrure de titane de la couche de revêtement comprend de l’aluminonitrure de titane TiAIN. Ce composé céramique offre l’avantage de contenir de l’aluminium, qui est un élément chimique déjà présent en général dans les alliages du noyau et des tôles métalliques. Le cas échéant, la présence d’aluminium à la fois dans le noyau (substrat) et dans les tôles métalliques ainsi que dans le composé céramique de la couche de revêtement, permet de réduire fortement le phénomène de diffusion, et les réactions physico-chimiques qui en résultent, entre la couche de revêtement d’une part et le noyau et les tôles métalliques d’autre part.

Il est possible de former une couche de revêtement comprenant plusieurs composés céramiques à base de nitrure de titane. Ainsi, les deux modes de réalisation précédents sont combinables et aboutissent à une couche de revêtement à base de carbonitrure de titane TiCN et l’aluminonitrure de titane TiAIN. Par ailleurs, il est possible de former plusieurs couches de revêtement, chacune des couches comprenant un ou plusieurs composés céramiques à base de nitrure de titane. Par exemple, on forme une première couche de revêtement à base de carbonitrure de titane TiCN et une deuxième couche à base d’aluminonitrure de titane TiAIN.

Les conditions de pression et de température sont bien évidemment ajustées pendant l’opération de dépôt pour permettre le dépôt des différentes couches.

Selon un mode de réalisation, préalablement au dépôt de la couche de revêtement, on dépose sur le noyau une couche intermédiaire. La couche intermédiaire est alors agencée, après dépôt de la couche de revêtement, entre le noyau et ladite couche de revêtement.

La couche intermédiaire comprend un matériau dont le coefficient de dilatation thermique est compris entre le coefficient de dilatation thermique de l’alliage du noyau et le coefficient de dilatation thermique du composé céramique de la couche de revêtement.

La couche intermédiaire permet d’accommoder les différences de dilatation thermique entre le noyau et la couche de revêtement, et de réduire ainsi les risques de fissuration du revêtement lors de la compression isostatique.

Par exemple, pour déposer une couche de revêtement en nitrure de titane, on dépose d’abord la couche intermédiaire qui est préférablement une couche micronique de titane métallique, puis on dépose la couche de revêtement par pulvérisation ou pulvérisation réactive sur la couche intermédiaire.

La couche de revêtement, et lorsqu’elle est présente la couche intermédiaire, est déposée par dépôt chimique en phase vapeur ou gazeuse (dépôt « CVD »), par dépôt physique en phase vapeur ou gazeuse (dépôt « PVD »), ou par évaporation réactive assistée par plasma (dépôt « ERAP/ARE »).

Le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) consiste à déposer une couche mince de revêtement, préférablement d’une épaisseur comprise entre 2 pm et 20 pm, à la surface du noyau, qui joue le rôle du substrat et qui a été préalablement placé dans une chambre de dépôt d’un réacteur, à partir d’un gaz réactionnel par le biais de réactions chimiques. En pratique, le gaz réactionnel comprend un gaz précurseur injecté dans la chambre de dépôt du réacteur par une première voie d’injection et un gaz réactant injecté dans la chambre de dépôt du réacteur par une deuxième voie d’injection distincte de la première, de manière à ne se mélanger qu’une fois qu’ils ont pénétré dans ladite chambre de dépôt. Pour déposer une couche de nitrure de titane TiN, on peut par exemple utiliser le tétrachlorure de titane TiCI ₄ comme gaz précurseur et l’ammoniac NH ₃ comme gaz réactant. Pour déposer une couche de carbonitrure de titane TiAIN, on peut par exemple utiliser le tétrachlorure de titane TiCI ₄ et AICI ₃ comme gaz précurseurs et l’ammoniac NH ₃ comme gaz réactant. Parmi les variantes existantes du procédé CVD, le procédé de dépôt chimique par voie gazeuse assisté par plasma, ou « plasma enhanced Chemical vapor déposition » (PECVD), consiste à former un plasma par apport d’une source radiofréquence ou à l’aide d’une décharge entre deux électrodes, à partir de gaz réactifs. Le plasma apporte alors l’énergie nécessaire au déroulement du dépôt de la couche mince à la surface du substrat, ce qui permet de maintenir les électrons à un haut niveau d’excitation, et ainsi de mettre le dépôt CVD à des températures nettement plus basses que d’autres variantes du procédé CVD, et permet en plus de réduire les défauts en surface de la pièce finale.

Le dépôt physique en phase vapeur (PVD) consiste également à déposer une couche mince de revêtement à la surface du noyau. Mais contrairement au dépôt CVD, la vapeur des éléments chimiques constitutifs de la couche de revêtement à déposer sont fournis via des phénomènes physiques.

Les différentes techniques de dépôt PVD incluent notamment les techniques suivantes : l’évaporation sous vide, l’évaporation par faisceau d’électron, la pulvérisation cathodique, l’ablation laser pulsé, ou encore l’épitaxie par jet moléculaire.

Concernant l’évaporation réactive assistée par plasma (ERAP), les éléments métalliques à déposer sont évaporés à partir d’un lingot par bombardement de ce lingot avec un faisceau d’électrons. Les vapeurs sont transportées par le gaz réactif et réagissent avec les gaz à proximité du substrat pour former la couche à déposer.

Le procédé de fabrication d’un bouclier de bord d’attaque d’une aube, notamment d’une aube d’un ensemble rotatif d’une turbomachine tel qu’une soufflante, à partir du noyau revêtu d’une couche anti-diffusion tel détaillé précédent, va maintenant être décrit.

Procédé de fabrication d’un bouclier de bord d’attaque d’une aube

Le procédé de fabrication d’un bouclier de bord d’attaque d’aube est basé sur la conformation à chaud de tôles métalliques à base de titane, autour du noyau métallique comprenant une couche de revêtement anti-diffusion comprenant au moins un composé céramique à base de nitrure de titane.

Conformément à la première étape du procédé, la couche de revêtement est déposée sur le noyau, préalablement à la conformation à chaud des tôles métalliques.

Le noyau comprenant la couche de revêtement a la forme précise à donner à la cavité interne du bouclier de bord d’attaque à fabriquer.

Selon une étape optionnelle, les tôles sont mises en forme par matriçage afin de les rapprocher de la forme de l’intrados et de l’extrados du bouclier à fabriquer. L’opération de mise en forme des tôles n’a pas besoin d’être précise. En d’autres termes, il n’est pas nécessaire que la forme des tôles corresponde exactement à la forme du noyau, puisque lesdites tôles seront conformées à chaud par la suite. Il ne s’agit dans cette étape que de se rapprocher de la forme du noyau afin de simplifier l’assemblage des tôles autour du noyau.

Les tôles d’intrados et d’extrados sont ensuite positionnées autour du noyau de manière à enserrer ledit noyau. En pratique, les tôles sont assemblées l’une avec l’autre autour du noyau, de préférence par des opérations de pointage et de soudage des bordures latérales desdites tôles.

La couche de revêtement est alors située entre le noyau (substrat) et les tôles, au contact desdites tôles.

L’assemblage comprenant les tôles et le noyau subit ensuite une compression isostatique à chaud. Dans le cas de tôles en alliage de titane TA6V, la température de compression est comprise entre 800°C et 1000°C, et la pression est comprise entre 900 bar et 1100 bar.

Durant la compression isostatique, les tôles se déforment de manière à épouser parfaitement la forme du noyau, et se soudent par diffusion au niveau de leurs bordures latérales. Ceci aboutit à la formation de la cavité interne du bouclier dont la forme correspond exactement à celle du noyau. L’ensemble obtenu comprenant le noyau métallique recouvert de la couche de revêtement anti-diffusion et positionné entre les tôles métalliques d’intrados et d’extrados est représenté sur la figure 9.

D’autres techniques de conformation à chaud sont utilisables, telles que le conformage isotherme sous presse. Dans ce cas, il s’agit d’une compaction uniaxiale à chaud qui nécessite des outillages externes complexes.

La conformation à chaud par compression isostatique est cependant préférée, en ce qu’elle ne nécessite pas d’outillages supplémentaires. De plus, en fonction de la taille de l’installation utilisée, plusieurs assemblages, voire plusieurs dizaines d’assemblages peuvent être traités simultanément dans des conditions parfaitement identiques. Le conformage sous presse ne peut conformer plusieurs assemblages qu’au prix d’une presse de grande capacité et d’un outillage très complexe. Enfin, la déformation isostatique est préférée à une déformation uniaxiale pour des raisons d’homogénéité de déformation.

Pendant la conformation à chaud, la couche de revêtement empêche toute diffusion entre le noyau et les tôles.

En d’autres termes, la couche de revêtement empêche toute réaction physique ou chimique entre le noyau et les tôles. Ainsi, il n’y a pas de contamination par le noyau du bouclier obtenu, et aucune adhérence ou collage du noyau avec le bouclier. L’étape suivante consistant à extraire le noyau de la cavité interne du bouclier est alors grandement facilitée.

La couche de revêtement elle-même présente une grande stabilité thermodynamique, en ce que son intégrité physique est conservée tout au long de compression isostatique, ainsi qu’une grande stabilité physico-chimique, c’est-à-dire que ladite couche de revêtement est inerte physiquement et chimiquement vis-à-vis des tôles métalliques. Le noyau peut ainsi être réutilisé un grand nombre de fois, pour former plusieurs autres boucliers d’attaque d’aube, pour un total de préférence d’au moins 50, et de manière davantage préférée d’au moins 100 réutilisations du noyau.

Selon une dernière étape, le bouclier est usiné sur sa surface externe pour obtenir le boulier final qui peut être monté sur le bord d’attaque de l’aube. L’usinage de la surface de la cavité interne du bouclier, destinée à être mise au contact du bord d’attaque de l’aube, n’est pas nécessaire, puisque la forme de la cavité correspond à celle du noyau et a donc déjà la forme exacte du bord d’attaque de l’aube.

EXEMPLES DE DEPOT D’UNE COUCHE DE REVETEMENT SUR UN SUBSTRAT

Conditionnement des échantillons à analyser

Des couches de revêtement anti-diffusion comprenant trois composés céramiques différents ont été déposées sur un substrat en alliage Waspaloy® par dépôt physique en phase gazeuse (PVD).

Le Waspaloy® est un alliage à base de nickel, commercialisé par United Technology Corp, dont la composition massique est la suivante : 58% de nickel, 19% de chrome, 13% de cobalt, 4% de molybdène, 3% de titane, et 1 ,4% d’aluminium.

Les trois composés céramiques des couches déposées sont les suivants : nitrure de titane TiN, nitrure de titane et d’aluminium TiAIN, et carbonitrure de titane TiCN.

Les trois échantillons de substrats revêtus d’une couche anti-diffusion sont répertoriés dans le tableau 2.

Tableau 2 : Echantillons de substrats revêtus d’une couche anti-diffusion Les échantillons sont enrobés dans une résine époxy, puis sont polis afin d’obtenir un état métallographique satisfaisant permettant l’observation et la caractérisation des échantillons.

Les échantillons enrobés de résine époxy ont ensuite été métallisés pour permettre une bonne qualité d’images et d’analyse.

Le dépôt de métallisation à la surface de chaque échantillon est composé d’une fine couche d’un mélange or-paladium, déposé par pulvérisation cathodique. Ce dépôt permet de rendre conductrice la surface de l’échantillon, ce qui rend possible la circulation d’électrons en excès lors de la caractérisation de l’échantillon par microscopie électronique à balayage (MEB).

Analyse des échantillons

Les trois échantillons enrobés de résine époxy et métallisés ont été analysés par microscopie électronique à balayage (MEB) et par spectrométrie à décharge luminescente (SDL).

La microscopie électronique à balayage permet de visualiser l’épaisseur des couches de revêtement et de la sous-couche du substrat, et permet également de repérer d’éventuelles défauts ou interactions entre ces couches. Le microscope électronique à balayage utilisé est un MEB QUANTA 400 FEG. Les paramètres suivants ont été utilisés pour obtenir les images présentées ci-après : tension de travail de 20 KV, Spot 3, et Diaphragme 4.

La spectrométrie à décharge luminescente permet, en complément de la microscopie électronique à balayage, de déterminer les éléments chimiques présents dans les échantillons par érosion progressive dédits échantillons suite à une différence de potentiel appliquée entre deux électrodes dans une enceinte à pression réduite.

Echantillon 1 : dépôt de TiN

Les figures 6A et 6B représentent respectivement une image MEB et un spectre SDL pour l’échantillon 1 , l’image MEB illustrant une fraction du noyau obtenu 30.

D’après la figure 6A, l’épaisseur moyenne mesurée au MEB de la couche de revêtement en TiN, référencée 32, est d’environ 1 micromètre.

En SDL, d’après le graphe de la figure 6B, cela se traduit par un temps d’érosion de 50 secondes pour les éléments Ti et N. Echantillon 2 : dépôt de TiAIN Les figures 7 A et 7B représentent respectivement une image MEB et un spectre SDL pour l’échantillon 2, l’image MEB illustrant une fraction du noyau obtenu 30.

D’après la figure 7A, l’épaisseur moyenne mesurée au MEB de la couche 32 de revêtement en TiAIN est d’environ 1 micromètre.

En SDL, d’après le graphe de la figure 7B, cela se traduit par un temps d’érosion de 50 secondes pour les éléments Ti et Al, et de 40 secondes pour N.

Echantillon 3 : dépôt de TiCN

Les figures 8A et 8B représentent respectivement une image MEB et un spectre SDL pour l’échantillon 3, l’image MEB illustrant une fraction du noyau obtenu 30.

D’après la figure 8A, l’épaisseur moyenne mesurée au MEB de la couche 32 de revêtement en TiCN est d’environ 1 micromètre.

En SDL, d’après le graphe de la figure 8B, cela se traduit par un temps d’érosion de 50 secondes pour les éléments Ti, C, et N.

Conclusion

Au regard des images MEB et des spectres SDL obtenus pour les différents échantillons, les épaisseurs des différents dépôts PVD sont d’environ 1 micromètre, et les temps d’érosion sont d’environ 50 secondes pour les différents éléments de la couche de composé céramique déposée.

REFERENCES

WO 2011 1 14073

WO 2017178742