Automatisation des opérations de masquage pour la projection au plasma de revêtements thermiques sur des composants de moteurs d'aéronefs

Les parties internes des turbines à gaz sont exposées à des gaz de combustion et subissent des températures très élevées ainsi que des réactions de corrosion accélérée. Afin de protéger les pièces de ces conditions de service extrêmes, un revêtement thermique composé de céramique est appliqué par projection au plasma. Ce procédé consiste à projeter à très hautes températures des particules en fusion qui adhèrent au contact du métal en se solidifiant. Pour appliquer la céramique de façon précise et pour éviter d'obstruer de petites conduites de refroidissement, un masque est utilisé durant le revêtement au plasma. Ce masque est souvent réalisé dans l'industrie de façon entièrement manuelle par application d'un ruban adhésif protecteur. La précision requise ainsi que la grande variété de géométries à couvrir font du masquage une opération très complexe et difficilement automatisable. Ce mémoire propose une solution alternative au masquage manuel par l'application automatisée de polymères résistants au jet de plasma. L'endurance du nouveau produit ainsi que sa conformité avec les normes ded l'industrie ont été validées par une série d'analyses sur des pièces représentatives. Un modèle géométrique de déposition est présenté en vue de prédire la couverture du fluide en fonction des différents paramètres d'application. Plusieurs stratégies de mouvement du robot ont été évaluées pour des surfaces plances ainsi que des pièces de révolution. Sur la base du modèle géométrique, des méthodes d'optimisation de la trajectoire sont proposées en vue de maintenir une épaisseur constante. Enfin, les résultats obtenus démontrent qu'il est possible d'automatiser les opérations de masquage sur les composantes de turbines et ouvrent la porte à de nombreuses améliorations à la fois en qualité et en performance du prodédé de revêtement au plasma dans l'industrie aérospatiale.

Abstract

The inner sections of a gas turbine are exposed to combustion gases and experience high temperatures as well as accelerated corrosion reactions. To protect parts from these extreme operating conditions, a ceramic thermal barrier coating of TBC is applied by plasma spray. This process consists of projecting molten particles at very high temperature on the substrate, on which it solidifies upon contact. To apply the ceramic accurately and to avoid clogging of small cooling hole, a mask is used during the plasma coating. This mask is mainly achieved in the industry by manual application of a protective tape. The required accuracy and the wide variety of geometries to cover make masking a very complex and difficult task to automate. This memoir introduces an alternative to manual masking by mean of automated application of plasma spray resistant polymers. The endurance of the new product and its compliance with the industry standards have been validated by a series of experiments on representative parts. A geometric model of deposition is used to predict surface coverage according to the different application parameters. Several strategies for robot motion planning were evaluated on flat surfaces and rotating parts. On the basis of the geometric model, trajectory optimization methods are proposed to maintain a constant thickness and edge definition. Finally, the results show that it is possible to automate the masking operations on turbine components and open the door to many improvements in both quality and performance for the plasma spray coating method in the aerospace industry.