Brevet FR2004270A1 — publié le 19691121

La présente invention se rapporte à une structure d'un élément en contact avec le gaz et plus particulièrement à un élément dont le bord avant et le bord arrière ont des propriétés exceptionnelles de résistance à haute température et de résis-5 tance à la corrosion et à l'érosion. Depuis longtemps on a reconnu que l'emploi de produits ou structures composites en métal - matière réfractaire offre des avantages spéciaux comme matériaux pour •tructures utilisées à des températures élevées. Ces structures composites ont une app-10 lication particulière et fournissent des avantages nets, particulièrement si elles sont utilisées dans des turbines .à gaz ou analogues. Dans les turbines à gaz les éléments de la turbine en contact avec le gaz sont continuellement soumis à un milieu très sévère et complexe, comme par exemple les températures élevées, 15 les gradients thermiques sévères, l'érosion et les forces qui tendent à déformer les éléments en contact avec le gaz. Ces forces ont un effet particulièrement défavorable sur;les bords avants et arrières de ces éléments en contact avec le gaz. Par suite des gradients de température sévères et d'autres conditions ther-20 miques rencontrées par les éléments en contact avec le gaz utilisés de nos jours dans des turbines à gaz, les périodes d'opération et les températures d'opération admissibles pour ces éléments en contact avec le gaz sont considérablement limitées. Des structures composites sont connues dans la technique et 25 la structure composite décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique no. 3.215.511 représente un exemple type de ces structures. La structure composite décrite dans ledit brevet américain et les structures décrites dans la littérature technique antérieure emploient généralement une structure dans laquelle un ma-30 tériau céramique ou autre matériau est utilisé de concert avec un alliage réfractaire. La composition de la structure est telle que le constituant prédominant est l'alliage réfractaire plutôt que le matériau céramique ou autre matériau ou matière. Bien que cette structure représente quelqu'amélioration par rapport aux 35 structures en métal généralement utilisées, elle n'est toujours pas idéale du fait que les périodes d'opération et les températures d'opération admissibles sont toujours limitées, le facteur régissant étant l'alliage métallique et ses propriétés. Il est également connu des structures composites qui sont 40 appliquées et utilisées dans le domaine de la construction, par 6907226 2 2004270 exemple dans le béton précontraint. Bien qu'il y ait quelque ressemblance entre ces structures et les structures de la présente invention, ces structures connues ne sont ni aptes à être utilisées ou employées à des températures élevées, ni elles ont 5 les caractéristiques pour fournir une résistance au fluage à haute température et une résistance à l'oxydation, à la sulfura-tion et à l'érosion, particulièrement aux bords avants et arrières d'éléments en contact avec le gaz. Le but de la présente invention est de fournir une struc-10 ture d'un élément en contact avec le gaz qui a une résistance au fluage à haute température, qui résiste à l'oxydation, à la sul-• furation et à l'éràsèon et qui a des caractéristiques favorables de charge par choc aux bords avant et arrière de l'élément en contact avec le gaz. 15 La structure selon la présente invention comprend un corps principal central d'un alliage réfractaire et un bord avant in-sérable relié au corps central.. Ce bord avant insérable consiste en tin matériau réfractaire, de préférence en un matériau céramique, et en une pluralité de fils métalliques, les iLls métal-20 liques étant de préférence en un alliage à base de nickel ou de cobalt. En plus, un bord arrière, ayant essentiellement la même construction, peut être inséré dans le corps principal central, fournissant ainsi un élément en contact avec le gaz.de cètte •construction ayant des propriétés améliorées aux points les plus 25 vulnérables. Ce procédé pour produire les bords avant et arrière insé-rables selon la présente invention est décrit dans la demande de brevet américain no.714.737 déposée le 20 mars 1968 au nom de Stephen M. Copley et al. Comme décrit dans cette demande de 30 brevet, le matériau: céramique ou réfractaire a un taux ou degré de contraction thermique différent de celui des .fils métalliques en monocristal, et il en résulte*que, lors du refroidissement du bain fondu, le matériau réfractaire est précontraint en compression. Dans la structure selon la présente invention, la 35 fonction principale des fils- métalliques est la distribution • des .charges et la protection du. matériau réfractaire d'une'défaillance catastrpphique provoquée par les chocs thermiques ou la charge par choc à .des températures basses, tandis que la fonction principale du matériau céramique ou réfractaire est de 40 fournir line résistance au fluage à température élevée, une résis 6907226 5 2004270 tance à l'oxydation, à la sulfuration et à l'érosion. Une autre caractéristique de la présente invention est qu'il n'y a pas de liaison entre le métal et la masse réfractaire, la masse réfractaire étant maintenue en place ou bien par 5 les extrémités évasées des fils métalliques .monocristallins ou bien par la structure en colonne qui est maintenue au sommet et au fond des bords avant et arrière insérables lors de l'enlèvement de l'élément en contact avec le gaz du moule. Cette dernière partie de l'élément, c'est-à-dire la partie orientée en colonne 10 et cubique au sommet et au fond des bords avant et arrière, fournit également un effet secondaire en maintenant la contrainte de compression avantageuse engendrée dans la masse réfractaire, d'une manière assurée. L'emplacement et le nombre de trous longitudinaux contenus 15 dans la masse réfractaire sont également significatifs dans les bords avant et arrière insérables. Dans certains cas, il serait désirable d'avoir une distribution hétérogène des fils métalliques dans la masse réfractaire, par quoi le nombre exact de fils pour n'importe quelle distribution de tension et niveau de 20 tension désiré serait fourni. Près de la surface extérieure, un niveau d'effort de compression uniformément élevé est désiré afin de retarder le début des fissures et la croissance dans la masse réfractaire, et voilà pourquoi, d'une manière idéale, les fils monocristallins devraient être très fins et emplacés très 25 près les uns des autres. Le procédé de coulage du métal et le procédé de formation de la masse réfractaire imposent des limitations à la dimension des fils et à l'espace entre eux. La limitation principale de ce genfe de construction est que le composé doit être construit de manière à ne pas avoir de moment de 30 flexion. Ceci est réalisé en maintenant une fraction de volume de métal relativement constante des bords avants vers les bords arrières. D'une manière analogue, il y a des- applications de la présente invention où il serait désirable d*avoir une distribution homogène des fils métalliques à l'intérieur du matériau 35 céramique. Une autre configuration est celle ouïes élément en contact avec le gaz, les bords avant et arrière insérables, ont une pluralité de passages pour l'air de refroidissement emplacés à l'intérieur de la masse réfractaire. Cette configuration fournit des avantages indéniables du fait que le niveau de contrainte 40 de compression sur la masse réfractaire et le corps principal 6907226 4 2004270 serait relativement élevé, même aux températures d'opération. La relaxation à l'intérieur des fiis métalliques monocristallins se ferait à des degrés beaucoup plus petits dû à la résistance au fluage plus élevée à des températures du métal plus "basses. 5 Ceux qui sont versés dans la technique comprendront mieux l'invention ainsi que d'autres caractéristkgues et avantages de cette dernière par une lecture de la description détaillée qui va suivre et qui se rapporte à des exemples particuliers et aux dessins sur lesquels: 10 La figure 1 est une coupe verticale d'une construction de moule préférée utilisée dans le procédé pour produire l'article selon la présente invention. La figure 2 est une vue d'en haut schématique lelong de la ligne 2-2 montrant une construction de bords avant et arrière 15 avec des fils métalliques monocristallins distribués d'une manière homogène. Eu se référant maintenant en détail aux présents modes de réalisation préférés de la présente invention, nn voit que la figuse 1 représente une forme préférée de la géométrie du moule. 20 La construction de moule décrite dans la présente description est particulièrement appropriée pour être utilisée avec n'importe lequel des soi-disants superalliages décrits par exemple dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique no.5.260.505. Ces alliages sont généralement adaptés pour le procédé connu sous le nom de soli-25 dification dirigée, l'alliage le plus préféré étant ou bien un alliage à base de nickel ou de cobalt. La construction de moule décrite en addition des enseignements contenus dans le brevet des Etats-Unis cité plus haut, utilise la technique pour former des alliages monocristallins (Monocristalloys^) comme décrite dans 30 la demande de brevet américain no.540.114, déposée le 17 février 1966, au nom de Piearcey. Comme représenté, une extrémité du moule tubulaire 4 est placée sur une plaque donductrice de chaleur 6 relativement froide, de préférence refroidie à l'eau. Le moule tubulaire 4 35 est de préférence fait en un matériau céramique à partir d'une bouillie d'alumine classique ou à partir d'un autre matériau céramique à point de fusion élevé selon les techniques types de coulage à la cire perdue. De l'eau pour la plaque de refroidissement 6 traverse les conduites 8. Comme représenté, une extré-40 mité du tube 4 repose sur la plaque de refroidissement 6 et 6907226 5 2004270 coopère à la formation d'une cavité 10. Un passage 12 est en communication avec la cavité 10. Par ce passage 12, le métal fondu est alimenté à la cavité 10. Autour de la cavité 10 se trouvent les moyens pour chauffer 5 le moule à la température désirée pour le coulage. De préférence, la cavité est entourée par une bobine de chauffage électrique par résistance 14, alimentée par un courant électrique variable. Alternativement, la cavité est entourée par un élément en graphite, non représenté, qui à son tour est entouré par une bobine d'in-10 duction alimentée par un courant électrique à fréquence élevée comme il est usuel dans un four à induction. Avant la coulée, le moule est chauffé à la température désirée en alimentant la bobine 14 avec tm courant, et lorsque la température désirée est obternf* le métal fondu chauffé à la température convenable pour 15 la coulée est versé dans la cavité 10. La plaque de refroidissement 6 est maintenue à une température relativement froide au moyen de la circulation d'eau à travers les conduites 8 de façon à établir lors de la solidification un gradient de température à l'intérieur du métitè fondu remplissant la cavité 10. 20 Comme représenté, un moule réfractaire 16 est inséré dans la cavité 10; un seul moule est représenté; cependant il est à comprendre expressément qu'une pluralité de moules peuvent être utilisés en même temps. Le moule 16 dans la présente invention comprend un bord avant 18 et un bord arrière 20 d'une palette de 25 stator, qui sont insérables dans un corps central principal 22 au points 23 et 25 respectivement. Cette construction est plus clairement illustrée sur la figure 2. Pour le besoin de la présente description, le bord avant insérable 18 et le bord arrière insérable 20 ont essentiellement la même construction. Le corps 30 24 du bord avant insérable 18 peut être formé en une masse réfractaire à résistance à la traction relativement faible, la résistance à la traction étant de l'ordre de 0,70 à 70,3 kg/cm , la coulée des fils métalliques monocristallins à travers la masse réfractaire permettant l'utilisation de cette masse à ré-35 sistance à la traction relativement faible; cependant, il est à comprendre que pour quelques applications une masse à résistance à la traction élevée peut être désirable et utilisée dans la présente invention. La masse réfractaire 24 a d'excellentes caractéristiques de résistance à la chaleur et est capable de 40 soutenir" des températures jusqu'à 19Q0°C. Il a été trouvé qu'une 6907226 6 2004270 masse réfractaire idéal# est une masse céramique comme par exemple un matériau à base d'alumine. La masse réfractaire 24 de bords insérables avant et arrière 18 et 20 comprend une pluralité de trous comme il est représenté par la référence 26. Ces ouver-5 tures 26 sont des ouvertures,longitudinales, c'est-à-dire, elles s'étendent vers le haut à partir de la partie de base 30 vers la partie du sommet 32 des bords insérables avant et arrière. Afin de faciliter la croissance du monocristal à l'intérieur des ouvertures longitudinales, les ouvertures peuvent avoir une restric-10 tion au fond ou à la base, ou bien elles peuvent juste avoir une ouverture relativement petite à leur base. Voilà pourquoi, après que le métal fondu a été versé dans la cavité 10, et qu'il commence à se solidifier, il a une structure en colonne contrôlée. En fournissant une petite ouverture comme représentée par la ré-15 férence 36, ou une restriction non représentée, la croissance d'un monocristal est amenée à l'intérieur des ouvertures longitudinales 26. Les fils monocristallins 38, voir figure 2, qui croissent à l'intérieur desoouvertures longitudinales 26 croissent ensemble vers la partie du sommet 32 des bords insérables avant 20 et arrière et la structure de grain en colonne est orientée dans la même direction que la structure de grain en colonne à la base des bords insérables avant et arrière. Plus spécifiquement , la partie de base 30 a la même structure de grain en colonne orientée et cubique que la partie du sommet 30, séparée par 25 une structure intermédiaire de fils métalliques monocristallins 38. Dès que le prooédé de coulage a été utilisé pour permettre la croissance de la partie de base 30 avec une structure en colonne orientée et-cubique, d'une partie intermédiaire de fils 30 monocristallins 38 et d'une partie 32 avec essentiellement la même structure en colonne que la partie de base, le bain fondu est refroidi. Comme résultat de ce refroidissement, la masse céramique ou réfractaire 24 est précontraiite en compression grâce à une différence entreles degrés ou taux de contraction 35 thermique des deux matières. En d'autres termes, la pièce céramique 24 est précontrainte en compression grâce à la contraction thermique plus grande des fils métalliques monocristallins 38. Cette contrainte de compression qui est engendrée dans la pièce céramique 24 est extrêmement avantageuse du fait qu'elle empêche 40 la germination des fissures, provoque la recicatrisation des 6907226 7 2004270 fissures aux températures élevées et diminue la progagation des fissures. Il est à soulignerque les fils monocristallins 38 à l'intérieur de la masse réfractaire 24 peuvent être emplacés d'une 5 manière homogène ou hétérogène dans la masse réfractaire 24, ceci étant une fonction de la manière les ouvertures 26 sont emplacées dans la masse réfractaire. Le bord avant insérable, comme représenté àur la figure 2, montre une distribution relativement homogène des fils à l'intérieur de la masse réfractaire tandis que 10 le bord arrière insérable montre une distribution hétérogène des fils à l'intérieur du bord arrière insérable. Dans quelques configurations il peut être désirable que la masse réfractaire 24 contienne une pluralité de passages de refroidissement. Ces passages dans la présente invention sont 15 produits en empêchant la croissance dans les ouvertures longitudinales 26a, laissant ainsi ces ouvertures libres pour le passage de l'air. Dans le mode de réalisation le plus préféré de la présente invention il est extrêmement désirable que la masse réfractaire 20 comprenne au moins la partie continue du bord avant insérable ou bord arrière insérable. Plus spécifiquement la masse réfractaire du mode de réalisation représenté serait la construction continue, ou une construction en line seule pièce d'alumine comprenant les bords avant et arrière insérables. Les composants 25 d'une structure préférée de bord avant et de bord arrière sont représentés par l'exemple suivant: Exemple Structure macrocomposite dans laquelle la masse réfractaire est une alumine à 99% (McDanel AP 33 * McDanel Refrac tory 30 Porcelain Co, Beaver Falls, Penna.) et les fils monocristallins passant à travers des ouvertures longitudinales dans la masse " réfractaire sont en superalliage Mar-M-200 à base de nickel. (0,15 C; 9 Cr; 10 Co; 2 Ti; 5 Al; 12,5 1,0 Nb; 0,05 Zr; 0,015 B; 1,5 Fe; restant Ui). Des trous longitudinaux d'un dia-35 mètre de 0,76 mm sont disposés dans un arrangement hexagonal à entassement dense à l'intérieur de la masse réfractaire. Avec un espacement des trous de centre-à-centre égal à 1,35 la. masse réfractaire comprendra après la coulée 30% en volume de fils monocristallins. La contrainte dans la.masse réfractaire et 40 dans les fils est respectivement: 6907226 8 2004270 CD et (2) ) Vq E-, Eq " ^ rp 53 \ 7!+ ®2 72 * V, E, E„ "7^ . —, = ^ A / 33 %V=272 E^ » module d'élasticité de l'alumine E^ « module d'élasticité de Mar-M-200 10 V-^ » fraction de volume de l'alumine Y-, » fraction de volume des fils en Mar-M-200 y ' &oL * * coefficient de dilatation, thermique linéaire moyen de î * alumi ne -s. , 15^2 * coefficient de dilatation thermique lineaire moyen de Mar-M-200 -4T7» Température d'opération - température ambiante. Supposons que la contrainte dans le matériau céramique et le métal est zéro à la température de travail ou d'opération. 20 Prenons E^ * 3,52 x 10® kg/cm2; Eg » 1,12 x 10® kg/cm2; * 70% en vol.; Vg * 50% en vol.joc^ » 7,8 x 10~®/°C; o(.2 - 13,1 x 10"6/°C et -àT7» 1000°C Les contraintes calculées dans le matériau céramique respectivement dans les fils métalliques sont: 25 » 2278 kg/cm2 33 - 5186 kg/cm2 D'après la description précédente et le dessin annexé, il sera évident pour les techniciens que de nombreuses modifications aux modes de réalisation préférés, décrits et représentés sont 30 possibles. Par suite il doit être bien entendu que ladite description est seulement indicative et non limitative. 6907226 9 2004270 Revendications 1. Un élément en contact avec le gaz, caractérisé en ce qu'il comprend un corps principal, et un "bord avant insérable relié au corps principal, le bord avant insérable comprenant une 5 partie de base ayant des propriétés d'orientation à direction unique, une partie intermédiaire ayant une pluralité de fils monocristallins et une partie au sommet ayant essentiellement les mêmes propriétés que la partie de base et une masse réfrac-tàire ayant une pluralité d'ouvertures s' étendant longitudinale) lement, la masse réfractaire étant emplacée entre la partie de base et la partie au sommet, les fils monocristallins passant à travers les ouvertures longitudinales à l'intérieur de la masse et la masse réfractaire ayant un degré ou taux de contraction thermique plus faible que la partie de base, la partie inter-15 médiaire, et la partie au sommet, de ce fait la masse réfractaire étant précontrainte en compression. 2. Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend également un bord arrière insérable relié au corps principal et étant essentiellement de la même construction 20 que le bord avant insérable. 3. Elément selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les ouvertures dans la masse réfractaire du bord avant insérable et du bord arrière insérable sont emplacées d'une manière homogène autour de la masse. 25 4. Elément selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les ouvertures dans la masse réfractaire du bord avant insérable et du bord arrière insérable sont emplacées d'une manière hétérogène autour de la masse. 5. Elément selon une des revendications 1 à 4, caractérisé 30 en ce que la partie intermédiaire du corps consiste en un monocristal d'un alliage réfractaire dont la base est choisie du groupe comprenant le nickel et le cobalt. 6. Elément selon la revendication 1, étant une palette en contact avec le gaz, utilisable dans un moteur à turbine à gaz, 35 caractérisé en ce que le bord avant insérable est relié au côté avant du corps principal, la masse réfractaire étant une masse continue par rapport au fils monocristallihs. 7. Elément selon la revendication 2, étant une palette en contact avec le gaz utilisable dans un.moteur à turbine, carac- 40 térisé en ce que le bord arrière insérable est relié au côté 6907226 2004270 arrière du corps principal. 8. Elément selon une des revendications précédentes, carac térisé en ce qu'il comprend dans la masse réfractaire une pluralité de passages pour l'air de refroidissement.