Brevet FR2125259A1 — publié le 19720929

La présente invention concerne les procédés de revêtement de métaux et plus précisément le dépôt des revêtements sur un substrat sous vide. I1 est bien connu que des superalliages conventionnels à base de nickel et de cobalt ne montrent pas d'eux-mêmes une résistance suffisante à l'oxydation et à l'érosion pour fournir des articles ayant une vie opérationnelle de durée raisonnable dans des environneméntsoxydanttels que ceux associés aux opérations des turbines à gaz. En conséquence, il était d'usage de pourvoir ces alliages d'un revêtement protecteur pour ces applications. Beaucoup parmi les revgtements les plus récents créés pour la génération suivante de moteurs à réaction dépendent en premier lieu du dépôt d'un alliage de revêtement~à haut point de fusion avéc une réaction subséquente avec le substrat pour obtenir la composition, la microstructure et l'adhérence désirées. Ces nouveaux alliages généralement exigent la mise en place de nouvelles techniques spéciales de revêtement pour permettre l'ob- tention de l'alliage correct avec des quantités correctes sur les surfaces à revêtir. Bien que la technique de revêtir au moyen d'un métal, comme par exemple en appliquant un revêtement d'aluminium soit relativement aisée, les problèmes soulevés en revêtant un alliage complexe par évaporation sont très différents. Les différentes tensions de vapeurs des métaux formant l'alliage impliquent que l'alliage ne se déposera pas sur le substrat avec la composition voulue. En fait, il était admis que les alliages complexes ne pouvaient pas être revêtus avec succès surtout par soudage par bombardement d'électrons. Plusieurs compositions de revêtements d'intérêt courant sont décrites dans différents brevets. Parmi ces compositions, on notera celle se référant au revêtement de BeCrAlY ayant une composition nominale en poids de 30% de chrome, 15% d'aluminium, 0,5% d'yttrium le reste étant du fer, décrite dans le brevet des Etats-Unis No. 3,542,530 dont le titre est Alliages à base de nickel et de cobalt avec un revêtement contenant du fer, du chrome et de l'aluminium". déposé le 23 mai 1968. Une autre composition similaire est celle du revêtement de CoCrAlY ayant en poids, 20% de chrome, 15% aluminium, 0,7% d'yttrium le reste étant du cobalt. Lés problèmes fondamentaux associés au dépôt de ces alliages de revêtement concernent leur point de fusion élevé et la difficulté d'obtenir la quantité correcte de tous les éléments composant l'alliage du revêtement appliqué. Des résultats satisfaisants ont été obtenus en appliquant un seul métal ou parfois des revêtements à 2 métaux en utilisant la technique de dépôt à la vapeur sous vide, telle que celle décrite dans le brevet des Etas-Unis No. 2,746,420. Ces procédés, qui ont d'a bord été appliqués à des matériaux à basse température et de compositions relativement simples, sont caractérisés par une sensibilisation extrême aux variations des paramètres des procédés et en conséquence, la reproductibilité ainsi que la dépense des procédés deviennent des problèmes si on applique le procédé aux alliages complexes. Le dépôt de vapeur sous vide de métaux fondus par bombardement aux électrons a essentiellement été limité par la ligne de mire depuis la source jusqu'au substrat en rotation ou se déplaçant linéairement. Le principal problème rencontré est la formation de défauts dans le revêtement tels que les précipités intergranulaires qui peuvent être des composés intermétalliques de fer et d'aluminium ayant les caractéristiques indédésirables de réduire le point de fusion du revêtement et réduisent en plus la résistance à l'oxydation du substrat revêtu. Une méthode pour empêcher ces précipitations intergranulaires et donc d'éviter ces caractéristiques indésirables qu'ils provoquent est décrite dans le brevet des Etats-Unis No. 3,528,861 dont le titre est Méthode de revêtement de superalliages" déposé le 23 mai 1968. La présente invention concerne une méthode pour appliquer un revêtement à un alliage, comprenant les superalliages à base de nickel et de cobalt, dans lesquels les revêtements appliqués améliorent la résistance du substrat aux températures et à l'oxydation. Plus précisément, la présente invention concerne une méthode dans laquelle le revêtement est appliqué au substrat sans formation d'aucun défaut tel que les précipités intergranulaires qui diminueraient la température de fusion et les propriétés de résistance à l'oxydation de l'alliage revêtu. Dans un procédé préféré, un substrat est disposé dans une chambre à vide, et une source de matière de revêtement est disposée à une distance déterminée du substrat. Un nuage de vapeur est créé en employant un appareil de bombardement d'électrons, ce nuage se déplaçant vers le substrat et déposant un revêtement sur celui-ci. Le substrat à revêtir est un de ceux où il faut appliquer un revêtement à toutes ses faces; pour cela, le substrat, dans ce mode de réalisation est en rotation durant le processus de revêtement pour exposer toutes les faces dans la ligne de mire. En appliquant un revêtement sur un substrat en rotation, il est extrêment important de contrôler la durée d'exposition (ou la vitesse de rotation) au nuage de vapeur.Il a été déterminé qu'une vitesse critique minimum de rotation du substrat est de 15 rpm ou 900 par seconde de vitesse -angulaire, avant tout parce que à toute vitesse supérieure à 15 rpm les précipités intergranulaires indésirables se forment. La vitesse minimum pour le revêtement est de 10 par seconde de vitesse angulaire assurant le dépôt d'un revêtement acceptable. Cela signifie environ 90 secondes pour une rotation de 900 ce qui représente la partie du substrat en rotation ou chaque point de la surface du substrat est dans la ligne de mire de la source du revêtement. La présente invention limite l'exposition du substrat au nuage de vapeur à une période entre 1,0 secondes pour la vitesse critique maximum à 1,5 minutes pour la vitesse minimum de rotation.Plus précisément, aucune partie du substrat n' est exposée au nuage de vapeur pour une durée autre que cette période particulière. Pour que l'invention soit mieux comprise référence est maintenant faite aux figures jointes. La fig. 1 est une section transversale illustrant un appareil de déposition de la vapeur sous vide adapté à l'utilisation du procédé de la présente invention Les fig. 2, 3 et 4 sont des microphotographies montrant les types de revêtement à différentes vitesses de rotation. Dans un mode de réalisation préféré la fig. I représente une chambre à vide 10 comprenant une issue ou ouverture d'évacuation 12 connectée à une pompe à vide conventionnelle. La pompe à vide n'est pas représentée sur la figure et est du type adéquat pour fournir une évacuation rapide et continue de la chambre 10. Disposé à l'intérieur de la chambre 10 se trouve le canon à électrons 14 ayant pour but de vaporiser un lingot de matériau de source 16 et donc d'établir un-nuage de vapeur de ma tériau de revêtement représenté par les lignes pointillées 17. Un pôle 18 de déviation magnétique conventionnel est disposé de façon adjacente au canon à électrons 14 pour diriger les électrons dans une direction adéquate. Le lingot 16 est mobile dans le plancher de la chambre 10 et peut coulisser à son extrémité supérieure dans un creuset annulaire 20 refroidi à l'eau. Durant l'opération, le lingot 16 est normalement déplacé le haut dans le creuset 20 au travers d'une paroi étanche et réfractaire 22 dans le plancher de la chambre 10. Le déplacement vers le haut du lingot 16 est réalisé à une vitesse contrôlée par des moyens adéquats 24. De cette manière une zone liquide de hauteur constante 28 est maintenue au sommet du lingot 16 et pour cela le bombardement électronique bertera seulement la surface de la zone. Le substrat 26 qui est l'objet à revêtir est représenté ici comme une aube ou un aileron d'une turbine à gaz, asymétrique le long de son axe longitudinale, ayant des bords avant et arrière séparés par des surfaces aérodynamiques. Le substrat 26et disposé au-dessus de la zone liquide, est suspendu dans la chambre à vide 10 et tourne autour de son axe longitudinale 32 par un support et une commande 30. Le support et la commande 30 permettent au substrat 26 de tourner et une fois que le nuage de vapeur se forme dans la chambre 10, il est possible par la rotation du substrat 26 au moyen de la commande 30 de déposer un revêtement sur toutes les faces du substrat.La nécessité ou le désir de déposer un revêtement sur totes les faces d'un substrat de la forme d'une aube est très évidente car, bien que la plus grande corrosion ou oxydation se produit sur les bords avant et arrière de l'aube , le reste est néanmoins également exposé aux gaz corrosifs ou oxydants. La figure 2 représente l'effet de la vitesse de rotation d'un substrat à 2 rpm et le revêtement était bon et parfaitement acceptable. La figure 3 montre un revêtement appliqué à une vitesse de rotation de 10 rpm et ce revôtement, bien que pas aussi bon que celui obtenu à 2 rpm, était néanmoins acceptable. Toutefois, dans la figure 4, la vitesse de rotation était de 20 rpm et les défauts étaient tels que le revêtement était inacceptable. Donc le domaine de vitesses de ration permises est sélectionné comme il est décrit. Les parties noires montrées sur les figures sont les défauts. En déposant un revêtement sur un substrat en rotation durant la phase de dépôt de la vapeur du cycle, il a été déterminé que la vitesse de rotation du substrat était extrêment critique. En fait, il a été découvert que si l'une quelconque des faces du substrat était exposée au nuage de vapeur pour une durée inférieure à 1 s-econde pour une révolution quotidienne (ou plus de 15 r.p.m.), des défauts tels que des précipités intergranulaires se forment dans le revêtement qui se dépose sur le substrat. Plus précisément, aux séparations des grains du revêtement déposé, des surfaces ou des poches à forte teneur en aluminium se forment, cette teneur élevée en aluminium dans ces surfaces est due à la trination d'un composé intermétallique de fer-aluminium.Ce composé intermétallique affecte défavorablement la température de fusion et la résistance à l'oxydation du substrat revêtu. La limite supérieure de durée d'exposition des surfaces du substrat au nouage de vapeur est estimée à environ 1,5 minute ce qui représente le temps d'une vitesse angulaire minimum de 10 par seconde ou 1/6 r.p.m. Cette vitesse permettra au revêtement de couvrir toute la surface à une vitesse satisfaisante et assurera en même temps un revêtement adéquat sur toute la surface du substrat. Comme il a été décrit plus haut, un bon revêtement est obtenue à 2 rpm et un revêtement acceptable serait obtenu à une vitesse inférieure due1/6 rpm. Dans un mode de réalisation préféré,la commande 30 fait tourner continuellement le substrat 26 le long de son axe longitudinale 'à une vitesse de 1/6 r.p.m. jusqu'a' 15 rpm ou de 10 par seconde à un maximum de 900 par seconde. En maintenant la vitesse de rotation dans ce domaine critique îâ formation de composés intermétalliques aux séparations desgrains est pratiquement éliminée et un revêtement souhaitable et adéquat ayant la composition chimique désirée sera appliqué au substrat. La o rotation du substrat à des vitesses supérieures à 90 par se- conde crée les défauts mentionnés ci-dessus.Il est entendu que les revêtements sont relativement épais, jusqu'à 0,0127 cm par exemple et un temps relativement long est nécessaire pour obtenir cette épaisseur du revôtement. La faible vitesse de rotation à la- limiteinférieure permet un dépôt rapide du revêtement désiré sur toute la surface de l'aube sans imperfections perceptibles et avec tune répartition adéquate de l'épaisseur du revêtement puisque une épaisseur supérieure du revêtement est souhaitée aux bords avant et arrière à cause de la plus grande action corrosive à ces places. La sélection d'une vitesse adéquate dans ce domaine permettra un contrôle des épaisseurs désirées de revêtement sur les différentes parties de l'aube, durant la rotation, les bords avant et arrières approchant plus prés de la source de vapeurs que les surfaces se trouvant entre eux. Dans le meilleur mode de réalisation où la formation de ces précipités intergranulaires est évitée la vitesse de rotation du substrat 26 était maintenue dans le domaine de 2 à 7 r.p.m. Dans ce domaine, le revêtement ne contenait pas les défauts mentionnés ci-dessus; et contenait la composition chimique la plus précise et possédant la structure en grain et l'adhésion au substrat la plus satisfaisante. En utilisant la méthode de la présente invention, deux types de matériaux de revêtement sont très appropriés. Ce sont les alliages ainsi nommés FeCrAîY ayant une composition consistant essentiellement en poids de 20-50% de chrome, 10-20% aluminium, 0,03-2,00 d'éléments sélectionnés dans le groupe de l'yttrium et des terres rares le reste étant du fer; et les alliages en CoCrAlY contenant en poids, 15-40% chrome, 10-20% d'aluminium, 0,01-10% d'éléments sélectionnés dans le groupe de l'yttrium et les terres rares, le reste étant du cobalt. Dans le présent mode de réalisation, seulement un seul substrat est utilisé; néanmoins il est clair que plus d'un substrat peut être revêtu à la fois. Dans un tel cas, dans le but de minimiser la non-uniformité du revêtement entre chacune des parties, chaque partie est normalement montée dans un plan de même densité ou grossièrement le long d'un arc définissant une zone de tension de vapeur constante, les parties les plus proches de la verticale passant par le centre de la zone liquide étant disposées légèrement plus loin de la surface de la zone que celles placées à un certain angle par rapport à cette verticale. Que l'on couvre une seule partie d'un revêtement ou plusieurs, chaque substrat doit néanmoins être disposé aussi près que possible de la surface de métal fondu pour obtenir le maximum de rendement, mais suffisamment éloigné pour prévenir toute contamination du revêtement par des éclaboussures, provenant de la zone. La hauteur du substrat varie avec chaque système mais pour une zone liquide de 5,08 cm de diamètre et une vitesse de dépôt de 7,62 microns par minute avec un matériau de revêtement en J?eCrAlY, une hauteur moyenne de 25,4 cm a été trouvée satisfaisante. Gomme décrit ci-dessus, dans ces conditions un revêtement plus épais est déposé sur les bords avant et arrière. REVENDICATIONS 1. Une méthode de dépôt d'un revêtement en alliage par dépôt sous vide sur un substrat, le revêtement étant déposé libre de tout précipité intergranulaire , caractérisé par les étapes de -disposer le substrat dans la chambre à vide -créer un nuage mobile en vapeur d'alliage de revête ment autour du substrat; -faire tourner le substrat sur son axe longitudinal à une vitesse entre 1/6 et 15 r.p.m. à l'intérieur de ce nuage. 2. La méthode selon la revendication 1 caractérisé en ce que le nuage mobile en alliage est créé par bombardement électronique. 3. La méthode son l'une quelconque des revendications précédents caractérisé en ce que la vitesse maximum de rotation est limitée à 8 rpm. 4. La méthode de dépôt d'un alliage résistant à l'oxyda- tion et à la corrosion sur un substrat en alliage à base de nickel ou de cobalt selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par les étapes de -disposer le substrat de l'un de ces alliages dans la chambre à vide, -placer dans un creuset, dans la chambre un alliage sélectionné dans le groupe d'un alliage à base de fer ayant une composition en poids de 20-50% de chrome, 10-20% d'aluminium, 0,03 à 2% d'yttrium, -vaporiser l'alliage pour former un nuage d'alliage va porisé au-dessus du creuset et en contact avec le substrat, et -faire tourner le substrat dans le nuage à une vitesse inférieure à 15 rpm pour revêtir le substrat avec un alliage correspondant à cette composition et libre de tout précipité intergranulaire.