Revetement abradable

Revetement abradable

Revêtement abradable

Un revêtement abradable est un revêtement de pièce mécanique présentant une bonne propriété d'abradabilité, c'est-à-dire que lorsque le revêtement est mis en contact avec un corps mobile, le revêtement suse préférentiellement au mobile.

Les revêtements en matériau abradable servent des pièces mobiles doivent être au plus près de pièces fixes : compresseur, turbines, rotors, etc.

L'application première qui a permis la création de ces revêtements, à la fin des années 1960, est le joint à revêtement abradable de compresseur ou de turbine dun turboréacteur d'avion. En effet, en réduisant au minimum le jeu entre les ailettes mobiles et le carter de la conduite gazeuse, on augmente l'efficacité et le rendement du turboréacteur. Le revêtement abradable garantit la fiabilité du dispositif en cas de contact avec laube : il sera creusé par l'aube et celle-ci ne subira quasiment aucune usure. Sans ce matériau, le choc serait trop violent et casserait l'ailette.

Sommaire

Types de revêtements abradables

Il existe plusieurs types de revêtements abradables. La seule chose quils ont en commun est cette capacité à suser facilement lorsquils sont en contact avec un autre matériau.

Il existe des revêtements abradables :

Abradables polymères obtenus par moulage

Il sagit dun procédé de moulage de polymère pour donner au matériau sa forme dans la conduite.

Les abradables en polymère sont, par exemple, en gomme de silicone, en époxy, etc. Cest un type assez particulier dabradable peu mentionné dans la littérature technique. Ils sont prévus pour des conditions modestes de service et sont réservés aux premiers étages de compresseurs qui ont des températures basses de fonctionnement.

Abradables « nid dabeille » obtenus par brasage

Le brasage est une procédé de soudure servant à la fixation dune structure nid dabeille métallique sur le carter au droit des aubes.

Le métal du nid dabeille est un alliage haute résistance résistant aux contraintes de lenvironnement du réacteur et aux interactions avec les pales. Lors dun contact avec lextrémité dune aube, les parois des alvéoles susent et se déforment plastiquement. Il est parfois couplé à un matériau abradable logé dans ses alvéoles. Il convient bien aux moyennes et hautes températures.

Abradables en fibres métalliques obtenus par frittage

Un des matériaux les plus utilisés en fibres métalliques (fibermetal) est le Feltmetal®. Son procédé de fabrication utilise, à la base, une poudre métallique dun alliage à très haute résistance mécanique et thermique, par exemple le Hastelloy X® (un super alliage à base de Nickel) ou du FeCrAlY (un alliage à base de Fer). Cette poudre est compactée pour constituer une feuille fine daggloméré, puis ces feuilles sont portées à une température élevée, mais inférieure à la température de fusion des métaux, sous vide. Le simple contact entre particules, sous cette chaleur, crée des liens très résistants par diffusion des matériaux les uns dans les autres. Cest le procédé de frittage sous vide (vacuum sintering). On obtient des plaques que lon découpe en leur donnant la forme dun arceau pour constituer un revêtement de joint détanchéité.

Le rapport longueur/diamètre des fibres métalliques est par exemple ~90:1.

Ces matériaux en fibres métalliques conviennent aux fortes températures, de 1000°C jusquà 1800°C, et sont fortement utilisés pour les turbines.

Abradables obtenus par projection thermique

La projection thermique est particulièrement adaptée à la création de revêtements protecteurs et notamment des revêtements abradables.

Cest une technique de fabrication de la métallurgie des poudres. Un canon (gun) projette un flux de gaz souvent extrêmement chaud ainsi quune poudre issue dun mélange de poudres métalliques et, éventuellement, non métalliques. Entraînées par le flux, ces particules solides se ramollissent ou fondent jusquau moment elle percutent une paroi froide appelée substrat (substrate). Au contact de cette surface, elles se solidifient instantanément, ce qui permet la croissance dun matériau sur le substrat. Une fois lépaisseur satisfaisante, on peut, si on le souhaite, séparer le substrat du matériau en le découpant. Ce nest pas nécessaire si on fabrique un revêtement sur la pièce finale. On peut en effet déposer labradable directement sur le carter. On peut aussi réparer un revêtement abradable trop usé en projetant sur celui-ci une couche nouvelle dabradable, ce qui est un des gros avantages de cette technique par rapport aux autres mentionnées.

Les caractéristiques de ces matériaux leur sont données lors de lélaboration. Des compositions de poudres variées, allié à des paramètres process réglables font quon peut obtenir une large gamme matériaux ou encore un seul type matériau mais avec des caractéristiques évoluant sensiblement : on peut ainsi faire fortement varier la dureté dun abradable en ne changeant que des paramètres de fabrication.

Dans ce process, on joue principalement sur 3 éléments pour obtenir le revêtement souhaité :

  • la source de chaleur,
  • la poudre,
  • le substrat.

Les types de projection thermiques

Les techniques de projection thermique se différencient suivant la source de chaleur qui crée la fusion et donne lénergie cinétique nécessaire à la projection des particules [28]. Celle-ci fixe le type de canon à utiliser et la gamme des revêtements que lon peut fabriquer. Nous nous intéresserons aux principales techniques qui sont utilisés pour les matériaux abradables :

  • la technique par combustion, qui compte les process :
    • Flame spraying,
    • HVOF spraying,
    • Detonation spraying,
  • la technique par arc électrique, qui regroupe les process :
    • Plasma spraying,
    • Electric Arc wire spraying.

La technique plasma est celle qui est la plus utilisée.

Plasma

La technique par spray à plasma, est utilisée pour donner un grand nombre de matériaux à forte abradabilité. Le plasma est généré par des électrodes concentrique soumises à une forte différence de potentiel électrique et un fort courant continu, qui ionisent un gaz inerte (azote, argon, hélium) et lui font atteint une forte pression et une température extrêmement élevée (plus de 16 000°C pour un courant de 1000 A). Un flux de poudre est ensuite injecté dans le conduit et entraîné par le plasma. Cette technique permet de faire entrer en fusion nimporte quel métal, même le plus réfractaire étant donné les températures atteintes. Les vitesses atteintes sont extrêmement élevées. Un système de refroidissement du canon est nécessaire dans la zone de création du plasma.

Process de projection plasma :

  • Température de flamme max.: entre 8000 à 16000 °C
  • Températures des particules : entre 2000 et 4500K
  • Vitesse des particules : autour de 250m.s-1
  • Matériaux obtenus : matériaux très réfractaires (céramiques), Revêtements destinés à la protection contre l'usure ou la corrosion et à la protection thermique. Application aéronautique, et autres secteurs lenvironnement est très agressif
Paramètres de la fabrication

Les débits de gaz, de poudre et le déplacement de la zone impactée permettent de contrôler lépaisseur et la composition du matériau obtenu.

Par le réglage de la vitesse et de la distance de projection, on maîtrise le temps de mise en contact avec le gaz. On fixe aussi la température du gaz dans le process de production de chaleur (débit de combustible, tension). Suivant les caractéristiques physico-chimiques des matériaux contenus dans la poudre (taille, point de fusion…) ont obtient un état plus ou moins fondu des particules et une certaine énergie dimpact lorsquelles atteignent le substrat. Il faut des réactions chimiques se produisant également créant de nouveaux corps sur le substrat (des oxydes notamment).

Suivant lénergie dimpact et la pénétration des particules sur la couche en création, on aura des porosités, des oxydes et des structures cristallines différentes. La température du substrat (refroidi en continu autour de 100°C pour quil y ait une solidification rapide) joue un rôle important car on obtient des vitesses de refroidissement brutales pouvant aller jusquà 10⁶K/s. La pénétration des particules dans le substrat génère des globules de structure lamellaire ou lenticulaire. En revanche, on doit faire attention à cette vitesse de refroidissement car cela introduit de fortes contraintes résiduelles dans la nouvelle couche pouvant entraîner un détachement de la couche du substrat ou amorcer des fissures par endroits. Ces contraintes sont un vrai problème pour les fabricants de revêtement abradables et leurs clients. La maîtrise est complexe également car il faut faire des compromis entre vitesse des particules et taille des particules, dispersion du jet de particules et énergie communiquée par le canon, etc.

Nature des matériaux

Les matériaux fabriqués par projection thermique sont donc par nature très hétérogènes. Pour expliquer en quoi consiste un matériau abradable, on peut dire que cest un matériau composite constitué de 3 éléments principaux :

  • une phase métallique qui permet de garantir la rigidité du revêtement et la résistance à la corrosion,
  • une phase non métallique ayant pour rôle de lubrifier le contact au passage de lextrémité de la pale (phase appelée parfois lubrifiant solide),
  • de porosités qui permettent le détachement aisé des particules de revêtement lors du contact (un matériau poreux est plus facilement friable).

Chaque élément a tendance à jouer un rôle fonctionnel dans le contact aube abradable et les particularités de chacun de ces éléments font la différence entre les gammes dabradables.

Ce qui permet de dénommer un matériau abradable est la composition chimique des poudres, la taille des particules qui la composent, le taux de porosité, voire certains paramètres liés à sa fabrication.

Voici un exemple de matériau abradable  :

Extrait du catalogue de Sulzer-Metco
Name : Metco 601NS
Formule Chimique: Al 12Si 40Polyestère
Tailles des Particules: -125 +11µm (-120 mesh +11 µm)
Morphologie: Mélange uniforme
Process: Air Plasma,
Propriétés et Applications: Matériau de revêtement abradable haute qualité pour une utilisation dans des sections de turboréacteurs. Convient pour des températures de service inférieur à 325°C (617°F).

Classement en fonction des températures

Les matériaux abradables projetés thermiquement sont généralement classés en fonction des températures quils peuvent supporter. On peut les répartir en trois grandes catégories:

  • 1) Basses températures : de lambiante à 400°C (adaptés aux compresseur basse pression)
  • 2) Températures moyennes : de lambiante à 760°C (pour les compresseurs basse et haute pression)
  • 3) Températures élevées : de 760 à 1150°C (pour les turbines).

Propriétés majeures des revêtements abradables

(Cas des turbines et compresseurs de turboréacteurs)

Ils doivent résister à des endommagements ayant deux origines : lendommagement au contact avec laube et celui à lenvironnement de la conduite des gaz.

Labradabilité

En cas dinteraction avec une aube, les particules de labradable doivent se détacher facilement du reste de labradable. Pour cela le matériaux doit avoir une faible cohésion structurale, ou une faible résistance au cisaillement.

Durée de vie

Comme les mécanismes de contact sont complexes, à la fois liés à limpact de laube et à la friction des matériaux, il faut que ce soit un mécanisme dusure le plus favorable possible qui se produise afin d'assurer que le revêtement dure plusieurs centaines d'heures. Cest le cœur du problème : avoir un matériau qui suse préférentiellement à laube mais qui garde ses propriétés dans la durée. La composition de labradable doit favoriser les bons mécanismes dusure.

Le résistance à l'érosion gazeuse

L'érosion est causée par l'entraînement gazeux et les petites particules pouvant être chargés par ce milieux.

La résistance aux températures

L'environnement des conduites de gaz de turboréacteurs conduisant à des températures de 300 à 1800°C, le revêtement doit garder ses propriétés mécaniques et donc éviter :

  • la perte des propriétés de résistance mécanique à haute température (fluage) face à limpact-friction avec une aube
  • la fatigue thermique (amorçage de fissure suite à un trop grand nombre des cycles thermiques),
  • l'interdiffusion des matériaux du revêtement vers le carter.

Dans certains cas, ils ont aussi une fonction disolation thermique des matériaux du carter, sauf sils sont déposés sur une autre couche spécifiquement conçue pour la protection thermique de celui-ci.

La résistance à lambiance extrêmement corrosive et à loxydation

Les fortes températures et pressions, la présence de vapeur d'eau, les porosités dans le matériaux, favorisent l'oxydation. La présence d'eau et de particules (vols au dessus du milieu marins pour les turboréacteurs) favorise la corrosion.

Applications industrielles

En premier lieu, les joints d'étanchéité sans contact fonctionnant avec revêtements abradables notamment :

  • dans le secteur aéronautique :
    • contact rotor-stator d'hélicoptère
    • contact aube turbine de compresseur
  • dans la production d'électricité :
    • les turbines et compresseurs

Historique

Le matériau abradable a été créé entre la fin des années 1960 pour les turboréacteurs davions. Durant des années, des recherches importantes en développement (impliquant chercheurs et motoristes) ont permis daugmenter les températures auxquelles les abradables peuvent frotter sans danger sur les pales de rotor : on est passé ainsi de 350°C à 1 200°C, laugmentation des températures étant favorable à lefficience de ces moteurs. Ils sont désormais présents dans tous les réacteurs actuels. Les turbines et compresseur terrestres ont commencé à les utiliser que depuis les années 1990 : turbines à gaz de centrale, turbocompresseurs automobiles, compresseurs, pompes etc.

Quelques fabricants

  • Flame Spray,
  • Sulzer-Metco,
  • Technetics,
  • Praxair,

Notes et références de l'article


Voir aussi

Liens externes

  • [1] (en) pour mieux comprendre la fabrication de revêtements abradables par projection thermique
  • Portail de l’aéronautique Portail de laéronautique
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