Revêtement abradable - Définition

Introduction

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 s’use préférentiellement au mobile.

Les revêtements en matériau abradable servent là où 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 d’un 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 l’aube : 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.

Types de revêtements abradables

Il existe plusieurs types de revêtements abradables. La seule chose qu’ils ont en commun est cette capacité à s’user facilement lorsqu’ils sont en contact avec un autre matériau.

Il existe des revêtements abradables :

• en polymères obtenus par moulage
• en nid d’abeille obtenus par brasage (synonyme de soudage) sur le carter
• en fibres métalliques obtenus par frittage
• en matériau hétérogène obtenus par dépôt par projection thermique (plasma ou HVOF)

Abradables polymères obtenus par moulage

Il s’agit d’un 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. C’est un type assez particulier d’abradable 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 d’abeille » obtenus par brasage

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

Le métal du nid d’abeille est un alliage haute résistance résistant aux contraintes de l’environnement du réacteur et aux interactions avec les pales. Lors d’un contact avec l’extrémité d’une aube, les parois des alvéoles s’usent 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 d’un 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 d’aggloméré, 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. C’est le procédé de frittage sous vide (vacuum sintering). On obtient des plaques que l’on découpe en leur donnant la forme d’un arceau pour constituer un revêtement de joint d’étanchéité.

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

Ces matériaux en fibres métalliques conviennent aux fortes températures, de 1 000 °C jusqu’à 1 800 °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.

C’est une technique de fabrication de la métallurgie des poudres. Un canon (gun) projette un flux de gaz souvent extrêmement chaud ainsi qu’une poudre issue d’un mélange de poudres métalliques et, éventuellement, non métalliques. Entraînées par le flux, ces particules solides se ramollissent ou fondent jusqu’au moment où elles percutent une paroi froide appelée substrat (substrate). Au contact de cette surface, elles se solidifient instantanément, ce qui permet la croissance d’un matériau sur le substrat. Une fois l’épaisseur satisfaisante, on peut, si on le souhaite, séparer le substrat du matériau en le découpant. Ce n’est pas nécessaire si on fabrique un revêtement sur la pièce finale. On peut en effet déposer l’abradable directement sur le carter. On peut aussi réparer un revêtement abradable trop usé en projetant sur celui-ci une couche nouvelle d’abradable, 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 l’élaboration. Des compositions de poudres variées, allié à des paramètres processus réglables font qu’on 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 d’un abradable en ne changeant que des paramètres de fabrication.

Dans ce processus, 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 l’énergie cinétique nécessaire à la projection des particules [28]. Celle-ci fixe le type de canon à utiliser et la gamme des revêtements que l’on peut fabriquer. Nous nous intéresserons aux principales techniques qui sont utilisés pour les matériaux abradables :

• la technique par combustion, qui compte les processus :
  • Flame spraying,
  • HVOF spraying,
  • Detonation spraying,
• la technique par arc électrique, qui regroupe les processus :
  • 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 1 000 A). Un flux de poudre est ensuite injecté dans le conduit et entraîné par le plasma. Cette technique permet de faire entrer en fusion n’importe 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.

Processus de projection plasma :

• Température de flamme max. : entre 8 000 à 16 000 °C
• Températures des particules : entre 2000 et 4 226,85 °C
• Vitesse des particules : autour de 250 m⋅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 où l’environnement est très agressif

Paramètres de la fabrication

Les débits de gaz, de poudre et le déplacement de la zone impactée permettent de contrôler l’épaisseur 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 processus 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 d’impact lorsqu’elles atteignent le substrat. Il faut des réactions chimiques se produisant également créant de nouveaux corps sur le substrat (des oxydes notamment).

Suivant l’énergie d’impact 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 qu’il y ait une solidification rapide) joue un rôle important car on obtient des vitesses de refroidissement brutales pouvant aller jusqu’à 1×10⁶ K^s⋅-1. 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 c’est 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 l’extrémité 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 d’abradables.

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  :

Classement en fonction des températures

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

• 1) Basses températures : de l’ambiante à 400 °C (adaptés aux compresseur basse pression)
• 2) Températures moyennes : de l’ambiante à 760 °C (pour les compresseurs basse et haute pression)
• 3) Températures élevées : de 760 à 1 150 °C (pour les turbines).