Dépôt de revêtements durs résistants à l'érosion sur la surface interne de cathodes creuses pour des applications en aérospatiale

Le domaine de l'aérospatiale montre une évolution spectaculaire depuis le siècle dernier, grâce aux développements de la science et notamment à celle des matériaux. En effet, si au début le défi était d'être capable d'envoyer des hommes dans les airs, il est maintenant de les y maintenir. Certaines conditions environnementales engendrent une dégradation prématurée des appareils volants. C'est notamment le cas des particules abrasives et érosives présentes dans l'air au-dessus de la surface de la Terre, qui occasionnent une dégradation de certaines parties du moteur de ces appareils par impacts. L'accumulation des dommages baisse les performances de ces derniers et peut mener, dans certains cas, à leur arrêt prématuré ce qui, en plus des frais de fonctionnement additionnel, menace la sécurité des occupants de l'appareil. La domination des airs n'est pas sans danger puisque certaines catastrophes ont entrainé la perte de plusieurs centaines de vies par le passé. C'est ce qui motive les acteurs du domaine à se pencher sur des solutions pour pallier ce type de problèmes afin de répondre à la demande sans cesse croissante, tout en assurant un niveau de sécurité optimal. Même si plusieurs composantes du moteur d'avion sont conçues pour être soumises à des conditions extrêmes, il n'en reste pas moins que certaines peuvent entraîner l'arrêt brusque de l'équipement après leur défaillance. C'est le cas notamment du diffuseur qui assure la circulation de l'air entre les différentes parties du moteur. Celui-ci est très sensible à l'usure due à l'érosion par impacts de particules solides (EIPS). Il existe quelques solutions pour éviter l'accumulation de particules dans le moteur comme l'utilisation de filtres à particules, mais elles ne sont pas très attrayantes. Les avancées du domaine de l'ingénierie de surface permettent d'offrir des revêtements protecteurs - à l'érosion notamment - de plus en plus performants et pour une vaste gamme de surfaces. Par exemple, l'utilisation de revêtements durs de nitrure de titane (TiN) sur les rotors d'un moteur à turbine à combustion peut, en milieu désertique, augmenter sa durée de service jusqu'à vingt fois. Par contre, des pièces à la géométrie complexe présentent des zones à l'accès direct limité, dites hors ligne de visée (HLDV), telles les entrées d'air du diffuseur qui restreignent les possibilités en matière de dépôt d'un revêtement. Dans ce cadre, nous nous sommes tournés vers la technique du dépôt en phase vapeur chimique assisté par plasma (PECVD) pour ses capacités de dépôt HLDV tout en offrant des revêtements durs performant pour la protection contre l'EIPS.

Abstract

The field of aerospace has undergone a spectacular evolution since the beginning of the last century, mostly thanks to the evolution of materials science and engineering. In the beginning of aerospace, the focus was on sending men up in the air, but, now, the challenge is to ensure their safety. Many environmental conditions generate early degradation of the aircraft workpieces, for example, abrasive particles present in the air which cause damage to the engine parts upon impacts. The accumulation of damages not only lowers the device performances and generates additional repair costs, but can also cause early machine failure putting aircraft passengers at risk. The aerospace industry is looking for scientific and technological solutions to keep the safety of flying passenger lives at high standards without hindering the rapid market growth. Since many of the engine parts are subject to extreme conditions, some parts can cause an abrupt stopping of the equipment. This is the case of the diffuser, which conducts the air compression to the combustion chamber and which is very sensitive to erosion wear caused by solid particle erosion (SPE). There exist few solutions to prevent the accumulation of particles inside the engine, such as particle filters, but they are not a very attractive solution since they increase the aircraft weight as well as gas consumption. Advances in surface engineering can offer SPE protective coatings, which are increasingly effective and can be applied to a variety of surfaces. For example, the use of titanium nitride (TiN) hard coatings on the rotors of a combustion turbine engine can increase the service lifetime period up to 20 times in a desert environment. However, complex shaped parts of the engine with limited direct access, labeled non-line of sight (NLOS) such as the diffuser entry, limit the possibility in terms of coating deposition. In this context, we consider the plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) for its NLOS capabilities to counteract the wear by SPE. Moreover, the choice of TiN as model protective material has been motivated by its well-established anti SPE properties as well as its accepted use by the aerospace authorities. Finally, we have used hollow cathode cylinders made of the same material as the diffuser to simulate the diffuser gas inlets. Thus, the main objective of this work is to develop a NLOS deposition process to deposit SPE resistant coatings on the inner parts of complex shaped substrates regarding the industrial application. Because of the tube shape, multiple experimental setups had to be adapted and some created.