Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
POWDER FOR THERMAL BARRIER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/149850
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a feed powder for the production, by thermal spraying, of a dense and vertically cracked thermal barrier coating, said powder - consisting of, for more than 95% by weight, molten feed particles each consisting, for a total of more than 95% of its mass, of ZrO2 and/or of HfO2, and a stabiliser of zirconia in a quantity determined in order to confer on the material of the feed particles a thermal conductivity less than that of a molten reference material comprising the same quantities by weight of ZrO2 and HfO2, and 7% Y2O3, in weight percent on the basis of ZrO2+HfO2+Y2O3. - having a median particle size (D50) between 15 and 75 μm, and - having a median granular compactness (G50) greater than 500 μm2.

Inventors:
ALLIMANT ALAIN (FR)
WALLAR HOWARD (US)
Application Number:
PCT/EP2019/052434
Publication Date:
August 08, 2019
Filing Date:
January 31, 2019
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
SAINT GOBAIN CT RECHERCHES (FR)
International Classes:
C01G25/02; C01F17/00; C01G27/02; C04B35/486; C04B35/653; C23C4/11; F01D5/28
Domestic Patent References:
WO2018056331A12018-03-29
WO2007139694A22007-12-06
WO2008054536A22008-05-08
Foreign References:
US20120177836A12012-07-12
US20040033884A12004-02-19
US6893994B22005-05-17
US20140334939A12014-11-13
US20120177836A12012-07-12
Other References:
H.L. BERSTEIN: "High temperature coatings for industrial gas turbine users", PROCEEDINGS DU 28EME SYMPOSIUM « TURBOMACHINERY »
Attorney, Agent or Firm:
SARTORIUS, Jérôme (FR)
Download PDF:
Claims:
REVENDICATIONS

1. Poudre d’alimentation destinée à la fabrication, par projection thermique, d’un revêtement de barrière thermique dense et fissuré verticalement, ladite poudre

étant constituée, pour plus de 80 % en masse, de particules d’alimentation fondues constituées chacune, pour un total de plus de 99 % de sa masse, d’une part de Zr02 et/ou de Hf02, et d’autre part d’un stabilisant de la zircone en une quantité déterminée pour conférer au matériau des particules d’alimentation une conductivité thermique, mesurée à l000°C, sous air et à 1 bar, inférieure à la conductivité thermique mesurée à l000°C, sous air et à 1 bar, d’un matériau de référence fondu fabriqué dans les mêmes conditions que les particules d’alimentation et constitué d’une part de Zr02 et/ou de Hf02, et d’autre part de 7 % de Y203, en pourcentage massique sur la base de Zr02+Hf02+Y203 ;

présentant une taille médiane de particules (D50) comprise entre 15 et 75 mhi, et présentant une compacité granulaire médiane (Gso) supérieure à 500 mhi2, plus de 80% en nombre des particules d’alimentation présentant une circularité supérieure de 0,85.

2. Poudre d’alimentation selon la revendication immédiatement précédente, dans laquelle les particules d’alimentation comportent chacune plus de 15% de Y203, sur la base de la masse totale de Zr02 + Hf02 + Y203, Y203 pouvant être remplacé par un autre stabilisant de la zircone en une quantité déterminée pour obtenir, à l000°C, sous air et à 1 bar, la même conductivité thermique, dite « quantité équivalente ».

3. Poudre d’alimentation selon la revendication immédiatement précédente, dans laquelle la teneur massique en Y203 est supérieure à 18%, sur la base de la masse totale de Zr02 + Hf02 + Y203, Y203 pouvant être remplacé par un autre stabilisant de la zircone en une quantité équivalente.

4. Poudre d’alimentation selon l’une quelconque des revendications précédentes, présentant une compacité granulaire médiane supérieure à 550 mpt.

5. Poudre d’alimentation immédiatement précédente, présentant une compacité granulaire médiane supérieure à 600 mpt.

6. Poudre d’alimentation selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le stabilisant est Y2O3 et présentant une densité Hall supérieure à 2,2, ou dans laquelle le stabilisant est différent de Y2O3 et présentant une densité Hall supérieure à celle conférée par une quantité massique de Y2O3 de 15%, sur la base de ZrC + Hft + Y2O3.

7. Poudre d’alimentation selon l’une quelconque des revendications précédentes, présentant une taille médiane D50 comprise entre 20 et 40 mhi, et/ou un percentile 10 de taille D10 compris entre 5 et 25 mhi, et/ou un percentile 90 de taille D90 compris entre 40 et 55 pm et/ou un indice de dispersion de taille (Oyo-Dup/Dso inférieur à 4.

8. Poudre d’alimentation selon l’une quelconque des revendications précédentes, présentant un indice de dispersion de taille inférieur à 2.

9. Procédé de fabrication d’une poudre d’alimentation selon l’une quelconque des revendications précédentes, ledit procédé comprenant les étapes successives suivantes :

a) préparation d’une charge de départ dont la composition est adaptée pour obtenir, à l’issue de l’étape f) une poudre d’alimentation selon l’une quelconque des revendications précédentes ;

b) fusion de la charge de départ de manière à obtenir un bain de matière en fusion ; c) refroidissement de la matière en fusion de manière à obtenir une masse fondue ; d) si la masse fondue est un bloc ou est une poudre présentant une taille médiane de particules inférieure à 10 mhi ou supérieure à 75 mhi, adaptation de la granulométrie de manière à obtenir une poudre présentant une taille médiane de particules comprise entre 10 et 75 mhi ;

e) passage de la poudre obtenue à l’issue de l’étape d) à travers un jet de plasma obtenu avec une torche à plasma réglée pour obtenir une poudre présentant une compacité granulaire médiane (G50) supérieure à 500 mhi2 ;

f) si la poudre de particules obtenue à l’issue de l’étape e) ne présente pas une taille médiane de particules comprise entre 15 et 75 mhi, sélection granulo métrique de manière à obtenir une poudre d’alimentation présentant une taille médiane de particules comprise entre 15 et 75 pm.

10. Procédé selon la revendication immédiatement précédente, ne comportant pas d’étape de granulation entre les étapes d) et e).

11. Procédé selon l’une quelconque des deux revendications immédiatement précédentes, comportant après l’étape e) ou après l’étape f), une étape g) d’extraction d’au moins une partie des particules creuses.

12. Procédé de fabrication d’un revêtement de barrière thermique dense et fissuré verticalement, ledit procédé comprenant une étape de projection plasma, sur un substrat, d’une poudre d’alimentation selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, ou fabriquée suivant un procédé selon l’une quelconque des trois revendications immédiatement précédentes.

13. Procédé selon la revendication immédiatement précédente, dans lequel le substrat est une pale d’une hélice ou une aube d’une turbine.

Description:
POUDRE POUR BARRIERE THERMIQUE

Domaine technique

Les revêtements de barrière thermique, en anglais « thermal barrier coatings », ou TBC, sont des revêtements isolants thermiquement. Bien que généralement poreux, les TBC peuvent être denses et, dans ce cas, fissurés verticalement (DVC), en anglais « dense and vertically cracked »

L’invention concerne une poudre d’alimentation destinée à être déposée par projection plasma pour former un TBC fissuré verticalement, un procédé pour fabriquer de telle poudre d’alimentation, et un TBC obtenu par projection plasma de ladite poudre d’alimentation.

Etat de la technique

Les TBC ont été décrits par H.L. BERSTEIN dans « High température coatings for industrial gas turbine users », proceedings du 28 eme symposium « Turbomachinery ». Classiquement, un TBC est constitué de zircone partiellement stabilisée par environ 8% en masse d’yttrine ou de magnésie appliquée par dépôt en phase vapeur à rayon électronique, en anglais « electronic beam phase vapor déposition », ou EBPVD, ou déposée par projection thermique, et notamment par projection plasma sous air.

Un TBC présente classiquement une épaisseur comprise entre 3 et 15 mm.

Il est classiquement disposé sur une couche de liaison constituée en NiCrAlY , elle-même déposée sur un substrat métallique. La couche de liaison améliore l’adhésion du TBC.

Le TBC isole avantageusement le substrat métallique des gaz chauds de l’environnement, notamment en assurant une isolation thermique.

Les TBC sont ainsi couramment utilisés pour protéger les composants des turbines à gaz de l’oxydation et de la corrosion à haute température.

Sous l’effet du cyclage thermique et de la corrosion, le TBC peut cependant être sujet à un écaillage.

Le dépôt par EBPVD conduit à une microstructure colonnaire orientée sensiblement perpendiculairement à la surface du substrat, c’est-à-dire « verticalement ». Cette microstructure résiste bien à l’écaillage.

Le dépôt par EBPVD est cependant beaucoup plus coûteux que le dépôt par projection thermique. Par ailleurs, un TBC obtenu par projection thermique présente une conductivité thermique inférieure à celle d’un TBC obtenu par EBPVD. Il constitue donc une barrière thermique plus efficace. Classiquement, il ne permet cependant pas d’obtenir une fissuration verticale.

On connaît de US 2004/0033884 ou de US 6 893 994 des revêtements de barrières thermiques. Ils ne sont cependant pas fissurés verticalement.

On connaît de WO2007/139694, W02008/054536 ou de US 2014/0334939 des revêtements fissurés verticalement. Selon l’enseignement de ces documents, les revêtements à base de zircone fortement stabilisée à l’Yttrine sont peu résistants aux chocs thermiques.

Il existe ainsi un besoin permanent pour un revêtement TBC pouvant être déposé par projection thermique et présentant un compromis amélioré entre la résistance à l’écaillage et la capacité d’isolation thermique, à épaisseur constante.

Un but de l’invention est de répondre, au moins partiellement, à ce besoin.

Résumé de l’invention

L’invention propose une poudre d’alimentation

- constituée, pour plus de 80 %, de préférence plus de 85 %, plus de 90 %, plus de 95 %, plus de 98 %, de préférence sensiblement 100 % en masse, de particules d’alimentation fondues constituées chacune, pour un total de plus de 99 % de sa masse, d’une part de Zr0 2 et/ou de Hf0 2 , et d’autre part d’un stabilisant de la zircone en une quantité déterminée pour conférer au matériau des particules d’alimentation une conductivité thermique, mesurée à l000°C, sous air et à 1 bar, inférieure à la conductivité thermique mesurée à l000°C, sous air et à 1 bar, d’un matériau de référence fondu fabriqué dans les mêmes conditions que les particules d’alimentation et constitué d’une part de Zr0 2 et/ou de Hf0 2 , et d’autre part de 7% de Y 2 0 3 , en pourcentage massique sur la base de Zr0 2 +Hf0 2 +Y 2 0 3 ;

- présentant une taille médiane de particules comprise entre 15 et 75 pm, et

- présentant une compacité granulaire médiane supérieure à 500 pm 2 ,

- plus de 80% en nombre des particules d’alimentation présentant une circularité supérieure de 0,85.

Comme on le verra plus en détail dans la suite de la description, une poudre d’alimentation selon l’invention permet, par simple projection thermique, et en particulier par projection plasma, d’obtenir un revêtement TBC à la fois très isolant thermiquement et très résistant au cyclage thermique. Une poudre d’alimentation selon l’invention peut aussi comprendre une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles suivantes :

- la teneur massique en (Zr0 2 + Hf0 2 + stabilisant) est supérieure à 99,5 %, 99,7 %, 99,8 % ;

- le complément à 100 % de (Zr0 2 + Hf0 2 + stabilisant) est constitué d’impuretés ;

- les particules d’alimentation comportent chacune plus de 15%, de préférence plus de 18%, et/ou de préférence moins de 25 %, de préférence moins de 22 %, de préférence moins de 20 % de Y 2 0 3 , sur la base de la masse totale de Zr0 2 + Hf0 2 + Y 2 0 3 , Y 2 0 3 pouvant être remplacé par un autre stabilisant de la zircone en une quantité déterminée pour obtenir, à l000°C, sous air et à 1 bar, la même conductivité thermique, dite « quantité équivalente » ;

- la poudre d’alimentation présente une compacité granulaire médiane supérieure à 530 mpt, de préférence supérieure à 550 mpt, de préférence supérieure à 600 mpt ;

- la poudre d’alimentation présente un rapport de la densité Hall sur la densité absolue du matériau constituant les particules d’alimentation supérieur à 0,38, de préférence supérieur à 0,40 ;

le stabilisant est Y 2 0 3 et la poudre d’alimentation présente une densité Hall supérieure à 2,2, ou le stabilisant est différent de Y 2 0 3 et la poudre d’alimentation présente une densité Hall supérieure à celle conférée par une quantité massique de Y 2 0 3 de 15%, de 18%, de préférence de 19%, sur la base de Zr0 2 + Hf0 2 + Y 2 0 3 ;

- la poudre d’alimentation présente une taille médiane comprise entre 20 et 40 pm, et/ou un percentile 10 de taille compris entre 5 et 25 mhi, et/ou un percentile 90 de taille compris entre 40 et 55 pm et/ou un indice de dispersion de taille ((D9 O -D IO )/D 5O ) inférieur à 4, de préférence inférieur à 2 ;

- la poudre comporte moins de 20%, de préférence moins de 10%, de préférence moins de 5% en nombre, de préférence sensiblement pas de particules creuses ;

- la surface spécifique de la poudre d’alimentation est de préférence inférieure à 0,4 m 2 /g, de préférence inférieure à 0,3 m 2 /g.

L’invention concerne également un procédé de fabrication d’une poudre d’alimentation selon l’invention, ledit procédé comprenant les étapes successives suivantes :

a) préparation d’une charge de départ dont la composition est adaptée pour obtenir, à l’issue de l’étape f) ou g) une poudre d’alimentation selon l’invention ;

b) fusion de la charge de départ de manière à obtenir un bain de matière en fusion ; c) refroidissement de la matière en fusion de manière à obtenir une masse fondue ;

d) si la masse fondue est un bloc ou est une poudre présentant une taille médiane de particules inférieure à 10 pm ou supérieure à 75 mhi, adaptation de la granulométrie, par exemple par réduction granulométrique de la masse fondue et/ou sélection granulométrique, de manière à obtenir une poudre présentant une taille médiane de particules comprise entre 10 et 75 pm ;

e) passage de la poudre obtenue à l’issue de l’étape d) à travers un jet de plasma obtenu avec une torche plasma réglée pour obtenir une poudre présentant une compacité granulaire médiane supérieure à 500 mhi 2 ;

f) si la poudre de particules obtenue à l’issue de l’étape e) ne présente pas une taille médiane de particules comprise entre 15 et 75 mhi, sélection granulométrique, de préférence par tamisage ou par classification pneumatique, après l’étape e), de manière à obtenir une poudre d’alimentation présentant une taille médiane de particules comprise entre 15 et 75 mhi ;

g) optionnellement, après l’étape e), de préférence après l’étape f), extraction d’au moins une partie des particules creuses.

De préférence, le procédé ne comporte pas d’étape de granulation, en particulier, entre les étapes d) et e). La compacité granulaire médiane en est accrue.

L’invention concerne également un procédé de fabrication d’un TBC comprenant une étape de projection thermique, de préférence de projection plasma d’une poudre d’alimentation selon l’invention, notamment fabriquée suivant un procédé selon l’invention, sur un substrat.

L’invention concerne également un corps comprenant un substrat et un TBC recouvrant, au moins partiellement, ledit substrat, ledit TBC étant de préférence séparé du substrat par une couche de liaison, de préférence en NiCrAlY, et étant fabriqué par projection thermique, de préférence plasma.

De préférence, le substrat est en métal. Le substrat peut être une pale d’une hélice ou une aube d’une turbine à gaz.

Le TBC présente de préférence une conductivité thermique inférieure à 3 W/m.K. Définitions

- Par produit « fondu », on entend un produit solide obtenu par solidification par refroidissement d’un bain de matière en fusion.

- Un « bain de matière en fusion » est une masse rendue liquide par chauffage d'une charge de départ, qui peut contenir quelques particules solides, mais en une quantité insuffisante pour qu’elles puissent structurer ladite masse. Pour conserver sa forme, une matière en fusion doit être contenue dans un récipient.

- La densité d’une poudre mesurée par la méthode Hall, ou « densité Hall », est la densité mesurée suivant la norme ISO 3923-1.

- Par « précurseur » d’un oxyde, on entend un constituant apte à fournir ledit oxyde lors de la fabrication d’une poudre d’alimentation selon l’invention.

- Une particule est dite « creuse » lorsqu’elle présente une cavité, généralement en son centre, dont le volume représente plus de 12,5% du volume de ladite particule, cette cavité étant la plus grande des cavités présentes.

- La compacité granulaire d’une particule est égale au produit de la compacité volumique de cette particule par le carré de son diamètre équivalent, le diamètre équivalent d’une particule étant le diamètre d’une sphère de même volume. La compacité granulaire peut être déterminée par tomographie aux rayons X, comme expliqué en détail dans les exemples.

- La « circularité » d’une particule observée est le rapport PD/P I , P r désignant le périmètre de la particule telle qu’observée, et PD désignant le périmètre du disque ayant la même surface que celle de la particule telle qu’observée. La circularité dépend de la direction d’observation. Pour évaluer la circularité « Ci » d’une particule, on détermine le périmètre PD du disque présentant une aire égale à l’aire A p de la particule sur une photographie de cette particule. On détermine par ailleurs le périmètre P r de cette particule. La circularité

2 * JTZA P

est égale au rapport de PD/P I . Ainsi Ci = - - - . Plus la particule est de forme allongée,

Pr

plus la circularité est faible. Le manuel d’utilisation du SYSMEX FPIA 3000 décrit également la circularité (voir « detailed spécification sheets » sur www.malvem.co.uk). Le profil des circularités des particules d’une poudre peut être évalué à l’aide d’un appareil du type Morphologi® G3 commercialisé par la société Malvem. - Le rapport de forme A d’une particule est défini comme le rapport de la largeur de la particule (sa plus grande dimension perpendiculairement à la direction de sa longueur) et de sa longueur (sa plus grande dimension).

- Les percentiles ou « centiles » 10 (Pio), 50 (P 50 ), 90 (P90) et 99,5 (P99,s), et plus généralement « n » P n d’une propriété P d’une poudre de particules sont les valeurs de cette propriété correspondant aux pourcentages, en volume pour la taille, en nombre pour la compacité granulaire et la circularité, de 10 %, 50 %, 90 %, 99,5 % et n%, respectivement, sur la courbe de distribution cumulée relative à cette propriété des particules de la poudre, les valeurs relatives à cette propriété étant classées par ordre croissant. En particulier, les percentiles D n , G n et Ci n sont relatifs à la taille, à la compacité granulaire et à la circularité, respectivement.

Par exemple, 10 %, en volume, des particules de la poudre ont une taille inférieure à D10 et 90 % des particules en volume ont une taille supérieure ou égale à D10. Les percentiles relatifs à la taille peuvent être déterminés à l’aide d’une distribution granulométrique réalisée à l’aide d’un granulomètre laser.

Le percentile 50 est classiquement appelé le percentile « médian ».

- Par « taille d’une particule », on entend la taille d’une particule donnée classiquement par une caractérisation de distribution granulométrique réalisée avec un granulomètre laser. Le granulomètre laser utilisé peut être un Partica LA-950 de la société HORIBA.

- Les débits en l/min sont « standards », c'est-à-dire mesurés à une température de 20°C, sous une pression de 1 bar (« normo litres par minute »).

- Une opération de "granulation" est un procédé d’agglomération de particules à l’aide d’un liant, par exemple un polymère liant, pour former des particules agglomérées. La granulation comprend, en particulier, l’atomisation ou séchage par pulvérisation (en anglais « spray-drying ») et/ou l'utilisation d'un granulateur ou d’un appareil de pelletisation, mais n'est pas limitée à ces procédés.

« Comporter » ou « comprendre » doivent être interprétés de manière large, non exclusive, sauf indication contraire.

- Sauf indication contraire, tous les pourcentages de composition sont des pourcentages en masse sur la base de la masse des oxydes.

- Les teneurs en oxydes se rapportent aux teneurs globales pour chacun des éléments chimiques correspondants, exprimées sous la forme de l’oxyde le plus stable, selon la convention habituelle de l’industrie. - Les propriétés de la poudre peuvent être évaluées par les méthodes de caractérisation utilisées dans les exemples.

Description détaillée

Procédé de fabrication d’une poudre d’alimentation

A l’étape a), des matières premières sont classiquement dosées de manière à obtenir la composition souhaitée, puis mélangées pour former la charge de départ.

La composition chimique des particules d’alimentation fondues est généralement sensiblement identique à celle de la charge de départ. En effet, les métaux Zr, Hf, et les stabilisants de la zircone dans la charge de départ se retrouvent sensiblement intégralement dans les particules d’alimentation fondues.

Les métaux Zr et Hf sont de préférence introduits dans la charge de départ sous la forme d’oxydes Zr0 2 et Hf0 2 . Ils peuvent être également classiquement introduits sous forme de précurseurs de ces oxydes.

A l’étape b), la charge de départ est fondue, de préférence dans un four à arc électrique. L’électro fusion permet en effet la fabrication de grandes quantités de particules avec des rendements intéressants.

On peut par exemple utiliser un four à arc de type Héroult, mais tous les fours connus sont envisageables, comme un four à induction ou un four à plasma, pourvu qu’ils permettent de faire fondre sensiblement complètement la charge de départ.

A l’étape c), un filet du bain de matière en fusion est de préférence dispersé en petites gouttelettes liquides par soufflage d’air à travers le filet. Les gouttelettes liquides sont refroidies et transformées en particules solides par contact avec l’air. Tout autre procédé d'atomisation d'un liquide en fusion, connu de l'homme de l'art, est envisageable. Classiquement, l’atomisation conduit à des particules grossières qui présentent une taille inférieure à 3 mm.

Alternativement, le bain de matière en fusion peut être coulé dans un moule, puis refroidi pour obtenir un bloc. Après démoulage, le bloc est de préférence concassé en morceaux dont la plus grande dimension est inférieure à 5 mm.

A l’étape d), la masse fondue, c'est-à-dire les particules grossières ou les morceaux obtenus à l’étape précédente, est broyée, et les particules sont classifiées, de préférence par un flux d’air, de manière à obtenir une poudre présentant une taille médiane comprise entre 10 et 75 pm.

A l’étape e), la poudre est injectée dans un jet de plasma. Cette étape est déterminante pour obtenir la compacité granulaire souhaitée.

En particulier, la compacité granulaire peut être augmentée en limitant l’énergie thermique transmise aux particules injectées. Limiter l’énergie thermique transmise à une particule limite en effet la vaporisation en son sein. Limiter l’énergie thermique transmise aux particules réduit donc la proportion de particules creuses, et donc augmente la compacité granulaire.

L’homme du métier sait modifier les paramètres de la torche à plasma à cet effet.

En particulier, il sait que l’énergie thermique transmise aux particules injectées diminue lorsque le débit du gaz primaire diminue et/ou lorsque le débit d’injection des particules augmente.

Par ailleurs, l’effet de l’énergie thermique transmise à une particule diminue avec la taille de la particule. Le risque d’une vaporisation à l’origine d’une cavité interne est en effet plus faible si la particule est plus grosse. L’injection d’une poudre présentant une taille médiane de particules comprise entre 10 et 75 pm est bien adaptée.

Avec une telle poudre, de simples réglages du débit d’injection du gaz plasmagène et/ou du débit d’injection de la poudre permettent donc d’obtenir des conditions d’injection adaptées pour obtenir la compacité granulaire médiane souhaitée. En particulier, pour augmenter la compacité granulaire, l’homme du métier sait qu’une réduction du débit de gaz plasmagène et/ou de la puissance de la torche permettent d’augmenter la compacité granulaire.

De préférence, le rapport du débit de gaz plasmagène (NL/min) divisé par la puissance de la torche à plasma (kW) est supérieur à 0,15, de préférence supérieur à 0,20 et/ou inférieur à 0,30 de préférence inférieur à 0,25.

De préférence, le rapport du débit d’injection de la poudre injectée dans le jet de plasma (en g/min) divisé par la puissance de la torche (kW) est supérieur à 2,0 de préférence supérieur à 2,3 et/ou inférieur à 3,5 de préférence inférieur à 3,0.

De préférence, le rapport du débit d’injection de la poudre injectée dans le jet de plasma (en g/min) divisé par le débit de gaz plasmagène (NL/min) est supérieur à 7, de préférence à 10 et/ou inférieur à 20 , de préférence inférieur à 15. De préférence, les paramètres de la torche à plasma sont déterminés pour que le passage de la poudre dans le jet de plasma conduise à une fusion au moins partielle de plus de 50%, de préférence plus de 70%, de préférence plus de 80%, en nombre des particules injectées.

Par ailleurs, le passage dans le jet de plasma produit une sphéroïdisation des particules. Après refroidissement, la poudre présente un rapport de forme médian A50 de préférence supérieur à 0,75, de préférence supérieur à 0,8. Avantageusement, la poudre de particules obtenue est beaucoup plus facilement projetable par plasma pour fabriquer un revêtement TBC.

De préférence, l’étape e) succède immédiatement à l’étape d).

En particulier, de préférence, le procédé ne comporte pas d’étape de consolidation, ni de de granulation entre les étapes d) et e). La compacité granulaire médiane en est accrue, la granulation favorisant la génération de particules creuses.

Lors de l’étape e), certaines particules peuvent s’agglomérer, de sorte que la taille médiane de la poudre obtenue peut ne plus être comprise entre 15 et 75 pm.

A l’étape f), si la poudre de particules obtenue à l’issue de l’étape e) ne présente pas une taille médiane de particules comprise entre 15 et 75 pm, on en modifie la granulométrie de manière à obtenir une poudre présentant une taille médiane de particules comprise entre 15 et 75 pm.

En particulier, on effectue une sélection granulométrique, de préférence par tamisage ou par classification pneumatique.

A l’étape g), optionnelle, on extrait une partie des particules creuses, ce qui permet d’accroître encore la compacité granulaire médiane.

L’extraction peut par exemple résulter d’un tri densimétrique, par exemple au moyen d’une table vibrante.

Poudre d’alimentation

La poudre d’alimentation est constituée de particules d’alimentation constituées chacune, pour plus de 95%, de préférence plus de 96%, plus de 97%, plus de 98%, de préférence plus de 99% de leur masse, d’oxyde de zirconium, d’oxyde d’hafnium et d’un stabilisant de la zircone.

L’oxyde de zirconium représente de préférence plus de 95%, de préférence plus de 96%, plus de 97%, plus de 98%, de la masse totale d’oxyde de zirconium et/ou d’oxyde d’hafnium. De préférence, l’oxyde de zirconium et/ou l’oxyde d’hafnium sont stabilisés, de préférence totalement stabilisés, c’est-à-dire qu’aucun changement de phase depuis la phase tétragonale vers la phase monoclinique n’est détecté à 1 l00°C.

Une partie du stabilisant peut ne pas être insérée dans le réseau cristallin de l’oxyde de zirconium et de l’oxyde d’hafnium.

Les particules d’alimentation étant fondues, les oxydes représentent typiquement plus de 98%, plus de 99%, plus de 99,5%, plus de 99,9% de la masse de la poudre.

Les stabilisants de l’oxyde de zirconium stabilisent également l’oxyde d’hafnium.

L’effet d’un stabilisant sur la conductivité thermique est variable en fonction de sa nature. La quantité d’un stabilisant est donc à déterminer en fonction de sa nature. Selon l’invention, la quantité d’un stabilisant est déterminée pour qu’il confère au matériau des particules d’alimentation une conductivité thermique, mesurée à l000°C, sous air et à une pression de 1 bar, inférieure ou égale à une quantité massique de 15%, de préférence de 18%, de préférence de 19% de Y2O3, et/ou de préférence supérieure à une quantité massique de 25%, de préférence de 23%, de préférence de 22% de Y2O3, sur la base de la masse totale de ZrCL + Hf0 2 + Y2O3.

De simples essais permettent de déterminer une quantité de stabilisant adaptée.

De préférence, la teneur en stabilisant est adaptée pour que la conductivité thermique, mesurée à l000°C, sous air et à une pression de 1 bar, soit inférieure à 100%, de préférence inférieure à 90%, de préférence inférieure à 80%, de préférence inférieure à 70%, de préférence inférieure à 60% de celle mesurée, dans les mêmes conditions, sur une zircone fondue préparée dans les mêmes conditions et partiellement stabilisée à 8% de Y2O3, sur la base de la masse totale de Zr0 2 +Y 2 0 3 .

La conductivité thermique, mesurée sous air à l000°C et à une pression de 1 bar, du matériau des particules d’alimentation est de préférence inférieure à 3 W/mK.

Le stabilisant est de préférence choisi parmi Y2O3, CaO, CeCh, SC2O3, MgO, I CL, La 2 C> 3 , Gd2C> 3 , Nd 2 0 3 , SmzCL, Dy2C> 3 , E^CL, Yb2C> 3 , EU2O3, Pr20 3 , Ta2C> 3 , et leurs mélanges. De préférence, le stabilisant est Y2O3.

La teneur massique en stabilisant, en particulier en Y2O3, sur la base de la masse totale de ZrC>2, de HfCh et du stabilisant, est de préférence supérieure à 10%, de préférence supérieure à 15%, de préférence supérieure à 17%, et/ou inférieure à 25%, de préférence inférieure à 22%, voire inférieure à 20%.

Dans un mode de réalisation, le stabilisant est de préférence Y2O3 et la densité Hall de la poudre d’alimentation est de préférence supérieure à 2,2, de préférence supérieure à 2,3, de préférence supérieure à 2,4, de préférence supérieure à 2,5, de préférence supérieure à 2,6 et/ou inférieure à 2,9, de préférence inférieure à 2,8.

Dans un mode de réalisation, le stabilisant est différent de Y2O3 et la quantité de stabilisant est déterminée pour conférer au matériau des particules d’alimentation une densité Hall supérieure à celle conférée par une quantité massique de 15%, de préférence de 18%, de préférence de 19% de Y2O3, sur la base de la masse totale de ZrCh + HfCh + Y2O3.

Pour une poudre présentant une taille médiane comprise entre 15 et 75 mhi, les inventeurs ont découvert l’importance de la compacité granulaire médiane sur les qualités du TBC. La compacité granulaire médiane est de préférence supérieure à 550 mhi 2 , de préférence supérieure à 600 mhi 2 , de préférence supérieure à 630 mhi 2 , de préférence supérieure à 650 mhi 2 , et/ou inférieure à 700 mhi 2 .

Les inventeurs ont également découvert l’importance de la distribution granulométrique :

La taille médiane des particules d’alimentation (D50) est de préférence supérieure à 15 mhi, de préférence supérieure à 20 pm, de préférence supérieure à 23 mhi, 25 mhi, 28 mhi, 30 mhi, voire supérieure à 32 mhi et/ou inférieure à 65 mhi, de préférence inférieure à 60 mhi, de préférence inférieure à 55 mhi, de préférence inférieure à 50 mhi, de préférence inférieure à 40 mhi, voire inférieure à 38 mhi.

Le percentile 10 (D10) des tailles des particules d’alimentation est de préférence supérieur à 1 mhi, de préférence supérieur à 2 mhi, de préférence supérieur à 5 mhi, de préférence supérieur à 7 mhi, 10 mhi, 15 mhi ou 17 mhi et/ou inférieur à 30 mhi, de préférence inférieur à 25 mhi, voire inférieur à 23 mhi.

Le percentile 90 (D90) des tailles des particules d’alimentation est de préférence supérieur à 30 pm, de préférence supérieur à 35 pm, de préférence supérieur à 40 pm, voire supérieur à 45 pm, ou 50 pm et/ou inférieur à 60 pm, de préférence inférieur à 58 pm, voire inférieur à 56 pm.

L’indice de dispersion de taille (Oyo-Dup/Dso est de préférence inférieur à 4,0, de préférence inférieur à 3,0, de préférence inférieur à 2,0, de préférence inférieur à 1,5, voire inférieur à 1,3, inférieur à 1,1, ou inférieur à 1, et de préférence supérieur à 0,5, de préférence supérieur 0,7, de préférence supérieur à 0,8.

Le percentile 99,5 (D99.5) des tailles des particules d’alimentation est de préférence inférieur à 100 pm, de préférence inférieur à 80 pm, de préférence inférieur à 75 pm, de préférence inférieur à 60 pm.

De préférence, la poudre présente un type de dispersion granulométrique monomodal, c’est-à- dire un seul pic principal.

Enfin, les inventeurs ont découvert l’intérêt de la sphéroïdisation pour améliorer le rendement lors de la fabrication du TBC. De préférence, plus de 80%, de préférence plus de 90%, de préférence plus de 95% en nombre des particules d’alimentation ont une circularité supérieure à 0,85, de préférence supérieure à 0,87, de préférence supérieure à 0,90, de préférence supérieure à 0,95.

Dépôt du TBC

Le substrat peut être notamment en métal (superalliage, acier, aluminium, aluminium anodisé...) ou en céramique (alumine...).

Le dépôt se fait par projection thermique, de préférence, par projection plasma, à pression atmosphérique sous air (“APS”) ou sous faible pression (« VPS » pour « vacuum plasma spray », ou “LPPS”, pour « low pressure plasma spray »), ou sous très faible pression (“VLPPS” pour « very low pressure plasma spray » ou“PS-PVD” pour « plasma spray- physical vapor déposition »).

Le dépôt de particules afin de réaliser un TBC à l’aide d’un pistolet à plasma est une technique classique. En particulier, les conditions de projection pour réaliser un TBC de type DVC impliquent classiquement une surchauffe de la poudre d’alimentation et du substrat.

Exemples

Les exemples suivants sont fournis à des fins d'illustration et ne limitent pas la portée de l’invention.

Pour les exemples, des poudres de particules de zircone stabilisée à 20% avec Y2O3 ont été fabriquées suivant un procédé selon l’invention.

La source de Zr0 2 peut être par exemple de la zircone CC10 ou de la zircone CZ, fournies par SEPR. La source de Y2O3 était de Tyttrine pure à 99,99% (4N) présentant une taille médiane d’environ 5 microns.

Ces sources ont été dosées et mélangées pour former une charge de départ adaptée à l’obtention de la composition souhaitée pour la poudre d’alimentation à fabriquer (étape a)). La charge de départ a ensuite été fondue par électro fusion, sous air (étape b)).

Le bain de matière en fusion a ensuite été soufflé, au moyen d’un jet d’air, pour obtenir des particules intermédiaires fondues (étape c)).

Les particules intermédiaires fondues ont ensuite été broyées à sec au moyen d’un broyeur vibrant, utilisant un média de zircone yttriée, de type Sweco DM10.

Les particules résultant du broyage ont ensuite été classifiées, c’est-à-dire triées en fonction de leur taille, de manière à obtenir une poudre présentant une taille médiane de particules comprise entre 10 et 75 mhi (étape d)).

Cette poudre a ensuite été injectée dans le jet d’une torche à plasma paramétrée de la manière suivante :

* : hors invention Tableau 1

Dans l’exemple 1, selon l’invention, le débit de gaz plasmagène était remarquablement faible et le débit d’injection plus élevé afin d’accroître la compacité granulaire. Les poudres obtenues présentaient les compositions suivantes (pourcentages massiques sur la base des oxydes) :

Tableau 2

Par ailleurs, une poudre selon un exemple 3* comparatif a été fabriquée par fusion (comme décrit par US2012/0177836A1) d’une charge de départ identique à celle utilisée pour fabriquer la poudre de l’exemple 1. Cependant, aucun passage par un jet de plasma (étape e)) n’a été effectué. La poudre obtenue a été broyée pour obtenir la granulométrie du tableau 3.

La poudre de l’exemple 3* ensuite été injectée dans le jet d’une torche à plasma paramétrée selon le tableau 1 (comme l’exemple 2), de manière à obtenir l’exemple 4*.

Les teneurs en impuretés ont été mesurées par GDMS (ou « spectrométrie de masse à décharge luminescente »).

La distribution granulométrique a été mesurée avec un granulomètre laser Microtrac.

La densité Hall a été mesurée suivant la norme ISO No. 3923-1 Metallic powders - Détermination of apparent density - Part 1 Funnel method. Le diamètre de l’orifice du “funnel” en partie basse était de 2,5 mm.

La conductivité thermique était, pour chacun des exemples, inférieure à 90% de celle d’une zircone fondue stabilisée à 8% de Y 2 O 3 .

La compacité granulaire médiane a été mesurée par tomographie de la manière suivante :

Un échantillon de poudre a été dispersé sous vide dans une résine époxy. Après durcissement de la résine, l’échantillon a été soumis à une acquisition 3D par micro tomographie aux rayons X à l’ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) de Grenoble (France) sur la ligne ID19, avec une résolution de 0,16 pm. L’image 3D obtenue a été réduite pour caractériser un volume de 800 micromètres x 800 micromètres x 800 micromètres. Un réglage de contraste / brillance a été effectué avec un filtre médian 2.0 et un seuillage résine et cavités a été effectué afin d’indexer toutes les particules et toutes les cavités. Cela a permis, pour chaque particule « i », de déterminer le diamètre équivalent en volume Di’ et, lorsque la particule est une particule creuse, le diamètre équivalent D ci de sa plus grande cavité. A partir de ces données, il est possible de calculer la compacité volumique C vi selon la formule suivante C vi = (Di’ 3 - D c i 3 )/Di’ 3 . Lorsque la particule est pleine, sa compacité volumique est donc égale à 1.

Il a ainsi été possible de déterminer, pour chaque particule « i », une compacité granulaire Gi (= C v i*Di’ 2 ), puis, pour la poudre, une distribution de compacité granulaire, et par conséquent une compacité granulaire médiane Gso divisant la population de particules en première et deuxième populations égales en nombre, ces première et deuxième populations ne comportant que des particules présentant une compacité granulaire supérieure ou égale, ou inférieure, respectivement, à la compacité granulaire médiane.

L’ensemble des résultats est fourni dans le tableau suivant.

* : hors invention Tableau 3

Le tableau 3 montre que la poudre obtenue selon l’exemple 4* sphéroïdisée par passage par le jet de plasma présente une compacité granulaire faible due à la présence d’un grand nombre de particules creuses, à la différence de l’exemple 1. Ce constat démontre que les conditions d’injection dans le jet de plasma déterminent la compacité granulaire médiane.

Le tableau 3 montre également que la poudre obtenue selon l’exemple 3*, non sphéroïdisée, présente une circularité faible. Cette circularité est insuffisante pour assurer une projection plasma dans des bonnes conditions, et donc un revêtement acceptable.

Afin d’estimer la résistance thermomécanique du revêtement nécessaire à l’obtention de TBC- DYC, un test comparatif en mode sans surchauffe et en mode avec surchauffe des poudres des exemples 1 à 2* a été réalisé. Le tableau 4 suivant fournit les paramètres de la projection pour chaque mode. Le rendement de dépôt est le rapport de la masse de matière déposée sur la masse de la poudre d’alimentation injectée. La perte relative Pr de rendement de dépôt est calculée selon la formule suivante : Pr = (R-R’) / R’ où R est le rendement de dépôt en mode sans surchauffe et R’ le rendement de dépôt avec surchauffe.

Tableau 4 Les résultats de rendement de dépôt sont présentés dans le tableau suivant :

Tableau 5

Ces essais montrent une perte relative de rendement de dépôt significativement supérieure pour l’exemple 2, hors invention. Il en résulte une dégradation du revêtement. Au contraire, la projection thermique de la poudre d’alimentation de l’exemple 1 selon l’invention permet d’obtenir un TBC de type DVC à la fois isolant thermiquement et résistant au cyclage thermique. En particulier, il présente une résistance à l’écaillage supérieure et une conductivité thermique inférieure à celle des revêtements fabriqués de manière similaire avec une zircone partiellement stabilisée par 8% en masse de Y2O3.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés.




 
Previous Patent: INDUCTIVE CHARGING DEVICE

Next Patent: A HAIR STYLING APPARATUS