FR3128471A1 - Procédé de formation d’un revêtement de protection cathodique sur une pièce de turbomachine - Google Patents

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Abstract

Procédé de formation d’un revêtement de protection cathodique sur une pièce de turbomachine L’invention concerne un procédé de formation d’un revêtement de protection cathodique sur un substrat (1) formant une pièce de turbomachine, comprenant au moins :- le dépôt sur le substrat de particules (11) de protection cathodique du substrat, ce dépôt étant réalisé par électrophorèse à partir d’un électrolyte organique (10) comprenant au moins lesdites particules, et- la formation d’une matrice inorganique dans une porosité du dépôt de particules ainsi réalisé, comprenant au moins : une imprégnation par une composition d’imprégnation dudit dépôt, un traitement thermique de séchage du dépôt imprégné par la composition d’imprégnation, et une densification par compactage mécanique du dépôt, après le traitement thermique de séchage, afin de rendre ledit dépôt électriquement conducteur. Figure pour l’abrégé : Fig. 1.

Description

Procédé de formation d’un revêtement de protection cathodique sur une pièce de turbomachine
La présente invention concerne un procédé de formation d’un revêtement de protection cathodique sur une pièce de turbomachine à partir d’un électrolyte organique. L’invention trouve en particulier un intérêt pour la protection d’arbres de compresseur ou de turbine utilisés dans des turbomachines aéronautiques ou industrielles.
Les aciers à haute résistance mécanique typiquement supérieure 1000 MPa tels que par exemple le Maraging 250 ou le ML340, le 40CDV12 peuvent être utilisés pour former des pièces de turbomachine, telles que des arbres de compresseur ou de turbine. Ces aciers peuvent toutefois être sensibles à la corrosion en fonctionnement.
Afin de protéger les pièces de la corrosion, il est connu de les revêtir par des peintures anticorrosion appliquées par pulvérisation (manuelle ou automatique). Avec ce type de méthode, la maitrise des épaisseurs de peinture appliquées peut être relativement délicate, en particulier si la pièce présente une géométrie complexe. On peut alors obtenir des revêtements non conformes à la définition technique de la pièce pouvant présenter des caractéristiques amoindries (tenue à la corrosion en cas de sous épaisseur, adhérence en cas de surépaisseur).
Des solutions ont été proposées pour tenter de résoudre ce problème d’homogénéité du dépôt sur des pièces complexes. A ce titre, le brevet US 3 787 305 propose le dépôt par électrophorèse de particules de protection cathodique en aluminium avec une résine généralement de type acrylique. Le dépôt est effectué à partir d’un électrolyte aqueux dans lequel la résine est dissoute et une tension supérieure à celle de l’électrolyse de l’eau est appliquée ce qui entraîne des variations locales de pH importantes autour des électrodes et a pour conséquence d’entraîner la précipitation de la résine renfermant les particules d’aluminium en surface de l’électrode de travail. Comme il sera détaillé dans la suite, l’électrolyse de l’eau pose différents problèmes qui ont été constatés par les inventeurs durant leurs travaux. En outre, la résine déposée est isolante électriquement ce qui limite l’épaisseur de dépôt pouvant être obtenue lors d’une même étape de dépôt par électrophorèse à une vingtaine de micromètres, valeur qui peut s’avérer insuffisante pour recouvrir entièrement des défauts de surface du substrat ou assurer une protection contre la corrosion suffisante. Le procédé se poursuit par une calcination de la résine organique à l’aide d’un traitement thermique à une température relativement élevée qui peut affecter la microstructure de certains substrats et entraîner l’apparition de porosités supplémentaires dans le revêtement. En outre, si un dépôt d’épaisseur significative est souhaité, c’est-à-dire d’épaisseur supérieure ou égale à 20 µm, il est nécessaire de recommencer la séquence de dépôt par électrophorèse et la calcination de la résine, une ou plusieurs fois, après la calcination de la résine de la première couche. Cela rallonge et complexifie de manière importante le procédé.
Il est souhaitable de disposer d’un procédé de formation d’un revêtement anticorrosion qui s’affranchisse des inconvénients de l’art antérieur.
L’invention vise un procédé de formation d’un revêtement de protection cathodique sur un substrat formant une pièce de turbomachine, comprenant au moins :
- le dépôt sur le substrat de particules de protection cathodique du substrat, ce dépôt étant réalisé par électrophorèse à partir d’un électrolyte organique comprenant au moins lesdites particules, et
- la formation d’une matrice inorganique dans une porosité du dépôt de particules ainsi réalisé, comprenant au moins :
  • une imprégnation par une composition d’imprégnation dudit dépôt,
  • un traitement thermique de séchage du dépôt imprégné par la composition d’imprégnation, et
  • une densification par compactage mécanique du dépôt, après le traitement thermique de séchage, afin de rendre ledit dépôt électriquement conducteur.
La technique d’électrophorèse permet d’obtenir un dépôt homogène à une épaisseur contrôlée, par rapport à une méthode de pulvérisation au pistolet, même sur des pièces de formes complexes ou de grandes dimensions. L’emploi d’un électrolyte organique permet de s’affranchir des effets néfastes liés à l’électrolyse de l’eau. En effet, les travaux réalisés par les inventeurs ont permis de constater que l’électrolyse de l’eau, qui peut se produire lors d’un dépôt par électrophorèse à partir d’un électrolyte aqueux, peut conduire à une fragilisation par l’hydrogène de la pièce si l’électrode de dépôt correspond à la cathode en acier (signe -) et à un phénomène de bullage qui affecte l’homogénéité du dépôt. Le dépôt anodique à partir d’un électrolyte aqueux peut, quant à lui, nécessiter de se placer dans une gamme de pH basique, afin d’obtenir des particules chargées négativement, qui peut résulter en une corrosion des particules déposées. L’invention permet également d’obtenir une large plage d’épaisseur de dépôt lors d’une même étape de dépôt électrophorétique. De telles épaisseurs pouvant être plus difficiles à atteindre, en une seule étape de dépôt, lorsque le dépôt est réalisé à partir d’un électrolyte aqueux en imposant une tension continue. La matrice inorganique formée dans la porosité du dépôt constitue une phase liante permettant de maintenir les particules de protection cathodique au substrat et de maintenir ces particules entre elles pour assurer la cohésion du dépôt. Le compactage mécanique de densification permet de mettre en contact les particules de protection cathodique du substrat pour rendre le revêtement dense et conducteur électriquement. Grâce au compactage, le revêtement acquière des propriétés sacrificielles performantes pour lutter contre la corrosion.
Dans un exemple de réalisation, l’électrolyte organique comprend un milieu liquide alcoolique dans lequel les particules sont en suspension.
Une telle caractéristique est avantageuse afin de disposer d’un électrolyte ayant une bonne compatibilité environnementale et sanitaire et un domaine d’électroactivité plus grand.
En particulier, le milieu liquide alcoolique peut être formé à au moins 50% en volume par du propanol, par exemple de propan-2-ol.
L’emploi de propanol est avantageux car il permet de s’affranchir d’un dispersant dans l’électrolyte, simplifiant ainsi le procédé.
Dans un exemple de réalisation, une épaisseur du dépôt des particules de protection cathodique sur le substrat est supérieure ou égale à 40 µm.
L’invention est particulièrement avantageuse dans ce cas car elle permet d’atteindre de telles épaisseurs en une seule étape de dépôt électrophorétique, sans avoir à interrompre le dépôt.
Dans un exemple de réalisation, les particules de protection cathodique sont en aluminium ou en alliage d’aluminium. L’invention n’est toutefois pas limitée à l’emploi d’un tel matériau et d’autres exemples seront décrits dans la suite.
Dans un exemple de réalisation, le substrat est en acier.
Comme pour les particules, l’invention n’est pas limitée à une famille de matériaux particuliers pour le substrat, ce dernier pouvant plus généralement être métallique, par exemple en alliage métallique ou même en matériau composite tant qu’il présente une conductivité électrique suffisante pour permettre le dépôt électrophorétique.
Dans un exemple de réalisation, la composition d’imprégnation comprend au moins un silicate d’un métal alcalin ou d’un métal alcalino-terreux.
Une telle caractéristique est avantageuse car elle permet d’éviter le recours à un milieu acide qui peut notamment être mis en œuvre lors d’un dépôt sol-gel afin d’éviter tout risque d’endommager certains substrats. La mise en œuvre d’une voie sol-gel pour former la matrice inorganique demeure néanmoins dans le cadre de l’invention et sera décrite plus bas.
Dans un exemple de réalisation, la formation de la matrice inorganique comprend un traitement thermique de stabilisation du dépôt.
Une telle caractéristique permet avantageusement d’évacuer le plus possible du milieu liquide et de rendre le dépôt insoluble dans l’eau.
On notera que l’on peut réaliser le traitement thermique de séchage à une première température puis le traitement thermique de stabilisation à une deuxième température supérieure à la première température. Dans ce cas ces deux traitements sont distincts et réalisés à des températures différentes. Selon une variante, on peut réaliser une seule et même étape de traitement thermique dans laquelle le dépôt est à la fois séché et stabilisé (les traitements thermiques de stabilisation et de séchage étant dans ce cas confondus). Selon une variante encore, il n’y a pas de traitement de stabilisation mais seulement un traitement thermique de séchage.
En particulier, le traitement thermique de stabilisation peut être réalisé avant la densification par compactage mécanique. On ne sort néanmoins pas du cadre de l’invention si le traitement thermique de stabilisation est réalisé après cette densification.
En particulier, une température inférieure ou égale à 500°C, par exemple inférieure ou égale à 450°C, peut être imposée durant le traitement thermique de séchage et l’éventuel traitement thermique de stabilisation.
Le fait d’imposer une température limitée lors du traitement thermique permet d’éviter tout risque d’endommager le substrat du fait d’une exposition à une température trop élevée.
Dans un exemple de réalisation, le substrat est un arbre de compresseur ou un arbre de turbine, par exemple en acier à haute résistance.
La illustre, de manière schématique et partielle, le dépôt électrophorétique des particules de protection cathodique sur le substrat.
La illustre, de manière schématique et partielle, le substrat revêtu par ces particules.
La illustre, de manière schématique et partielle, un exemple de formation d’une matrice inorganique dans la porosité d’un dépôt de particules pouvant être mis en œuvre dans le cadre de l’invention.
La est une photographie obtenue par microscopie électronique à balayage en coupe transversale d’un dépôt de particules de protection cathodique.
La est un graphique montrant l’évolution de l’épaisseur du dépôt de particules de protection cathodique en fonction du temps de dépôt à champ électrique constant.
La est un graphique montrant l’évolution de la porosité du dépôt de particules de protection cathodique en fonction du temps de dépôt à champ électrique constant.
La est un graphique montrant l’évolution de l’épaisseur du dépôt de particules de protection cathodique en fonction du champ électrique appliqué à temps de dépôt constant.
La est un graphique montrant l’évolution de la porosité du dépôt de particules de protection cathodique en fonction du champ électrique appliqué à temps de dépôt constant.
La représente, de manière schématique et partielle, un montage de couplage galvanique utilisé pour évaluer la protection cathodique conférée par un revêtement obtenu par mise en œuvre d’un exemple de procédé selon l’invention.
La est un graphique montrant l’évolution du potentiel de couplage galvanique en fonction du temps.
La est un graphique montrant l’évolution de la densité de courant de couplage galvanique en fonction du temps.
La est une photographie d’un échantillon suite à l’essai de couplage galvanique.
La est une photographie d’un échantillon suite à l’essai de couplage galvanique.
La est une photographie d’un échantillon suite à l’essai de couplage galvanique.
La est une photographie d’un échantillon suite à l’essai de couplage galvanique.

Claims (12)

  1. Procédé de formation d’un revêtement (50) de protection cathodique sur un substrat (1) formant une pièce de turbomachine, comprenant au moins :
    - le dépôt sur le substrat de particules (11) de protection cathodique du substrat, ce dépôt étant réalisé par électrophorèse à partir d’un électrolyte organique (10) comprenant au moins lesdites particules, et
    - la formation d’une matrice inorganique (40) dans une porosité du dépôt (6) de particules ainsi réalisé, comprenant au moins :
    • une imprégnation par une composition d’imprégnation (20) dudit dépôt,
    • un traitement thermique de séchage du dépôt imprégné par la composition d’imprégnation, et
    • une densification par compactage mécanique du dépôt, après le traitement thermique de séchage, afin de rendre le dépôt électriquement conducteur.
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’électrolyte organique (10) comprend un milieu liquide alcoolique dans lequel les particules (11) sont en suspension.
  3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le milieu liquide alcoolique est formé à au moins 50% en volume par du propanol.
  4. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel une épaisseur (e) du dépôt (6) des particules (11) de protection cathodique sur le substrat (1) est supérieure ou égale à 40 µm.
  5. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les particules (11) de protection cathodique sont en aluminium ou en alliage d’aluminium.
  6. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le substrat (1) est en acier.
  7. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la composition d’imprégnation comprend au moins un silicate d’un métal alcalin ou d’un métal alcalino-terreux.
  8. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la formation de la matrice inorganique comprend un traitement thermique de stabilisation du dépôt.
  9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel le traitement thermique de stabilisation est réalisé avant la densification par compactage mécanique.
  10. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel une température inférieure ou égale à 500°C est imposée durant le traitement thermique de séchage et l’éventuel traitement thermique de stabilisation.
  11. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel la densification par compactage mécanique du dépôt est effectuée par projection de particules.
  12. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel le substrat (1) est un arbre de compresseur ou un arbre de turbine.
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