Brevet FR2112375A1 — publié le 19720616

283.17 1.- 21-2375 En général on peut considérer une usure comme une perte progressive de matière sur des surfaces frottantes. La vitesse et l'effet d'un tel enlèvement de matière sont fonction de nombreux facteurs se rapportant aux propriétés des matières des surfaces 5 de frottement, aux conditions d'environnement et au degré de tolérance par le dispositif mécanique comportant les dites surfaces d'une perte de matière sur ses composants. Du fait qu'une usure peut conduire à la rupture d'une pièce par suite de la fatigue due à 1'endommagement des surfaces de contact, on doit 10 apporter beaucoup d'attention à une usure se produisant dans l'interface de pièces de moteurs à réaction, en particulier lorsqu'elles tournent à grande vitesse. Une solution pour empêcher une usure dans une interface entre de telles pièces a été décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 3 143 383. Ce brevet concerne plus particulièrement 15 une réduction de l'usure entre des surfaces de contact formées d'acier, de nickel, de cobalt, de métaux réfractaires ou de leurs alliages. Cependant, avec l'évolution des moteurs à réaction et de la technologie métallurgique, on a utilisé des alliages de titane dans certaines pièces de réacteurs. Maintenant non seulement on 20 impose de hautes performances aux superalliages et aux alliages de métaux réfractaires mais il se pose également des problèmes particuliers ayant trait à l'usure du titane. L'invention a pour but principal de fournir un système de revêtement perfectionné de surfaces de pièces opposées et 25 s'appliquant l'une contre l'autre, ce système protégeant les surfaces de pièces contre l'usure et contre une réduction résultante de la durée de service tout en permettant simultanément de réduire les efforts de frottement entre les surfaces. L'invention concerne un système de protection de pièces 30 en contact mutuel le long de surfaces d'appui opposées, comprenant un revêtement de base appliqué sur au moins l'une, et de préférence sur les deux surfaces d'appui et constitué d'un alliage de faible résistance au cisaillement, par exemple un alliage à base de cuivre et de nickel et contenant un élément métallique tel que 35 de l'indium dont l'oxyde a des caractéristiques de lubrification interne, et un revêtement de faible coefficient de frottement déposé en tant que couche extérieure sur chacune des surfaces d'appui. Le revêtement de faible coefficient de frottement contient 71 28337 2.- 2112375 un dichalcogénure des éléments chimiquement correspondants du groupe Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W et Re. Les pièces s'appliquent l'une contre l'autre par l'intermédiaire de la couche de faible coefficient de frottement. 5 On sait que la résistance à la fatigue de pièces en titane est considérablement réduite lorsqu'elles sont en contact l'une avec l'autre dans des conditions d'usure par glissement sous pression élevée et sans protection appropriée. Par exemple une telle action peut se produire à la jonction entre des queues 10 d'aronde d'ailettes et des rainures de roues de compresseurs de réacteurs. Bien que certains revêtements protègent de telles pièces pendant des périodes relativement courtes, une fois qu'une usure se produit, la durée de résistance à la fatigue de la pièce est réduite rapidement dans la zone d'usure. 15 Une matière de revêtement utilisée à l'heure actuelle pour éviter une telle usure sur l'une de plusieurs surfaces d'appui est constituée par un alliage à base de cuivre et de nickel qui contient de l'indium servant, au moins en partie, de lubrifiant interne de l'alliage. Dans un mode de réalisation, la matière 20 contient en pourcentages en poids environ 20 à 40% de Ni, environ 2 à 10$ l'In et le complément de Cu. Comme l'ont montré les résultats d'essais d'usure qui vont être donnés dans la suite, un tel revêtement assure à lui seul une protection inappropriée lorsqu'il est déposé seulement sur 25 une surface d'appui formée de titane ou d'alliage de titane. Un endommagement de la surface par usure produit une réduction de 25 à 30fo de la capacité de résistance à des contraintes alternées. En outre, un tel revêtement déposé sur les deux surfaces en contact l'une avec l'autre ne convient également pas car il en résulte une 30 forte usure du fait de la présence de métaux similaires et mutuellement solubles. Lors d'une étude de la résistance au frottement de revêtements sous l'effet de contrainte d'écrasement et de déplacement importants du type se produisant dans la partie soufflante de 35 moteurs modernes à turbo-souffiante, on a soumis à des essais un alliage forgé à base de titane contenant nominalement 6$ d'Al et de V. On a utilisé des échantillons de section réduite qui ont 71 28337 3.- 2112375 été soumis à "un frottement à la température ambiante et sous une p pression de contact de 35 kg/mm par déplacement alternatif entre l'échantillon et un sabot d'usure par pression. Au bout d'un nombre donné de cycles de frottement, on a déterminé la résistance 5 à la fatigue de l'échantillon afin de constater s'il se produisait une réduction de résistance. On a utilisé comme échantillon des plaques de section réduite et de 50 x 150 x 6 mm qui ont été sablées et rectifiées sous faible contrainte avant la phase de revêtement. Comme indiqué dans le tableau I ci-dessous, aucun 10 des échantillons soumis aux essais effectués avec des combinaisons différentes de matières de revêtement placées sur l'échantillon et/ou sur le sabot d'usure n'est apparu comme correctement protégé contre l'usure. Tableau I Revêtement Cycles de Exemple Sabot Echantillon frottement (-mm') (x 103) 1 aucun aucun - 10 2 aucun Cu 35 Ni 5In 0,18 25 3 aucun 75 Ni 25 graphite 0,15 24 4 aucun 75 Ni 25 Ag 0,15 13 5 aucun Graphite 0,05 3 6 aucun Graisse I2 é 7 aucun Polyurethane 0,18 7 8 aucun WC-12Co/Mo S2 0,075 5 9 aucun PTFE (*) 0,075 10 10 80Ni 20Ag 80Ni 20Ag 0,15 4 11 Cu35 Ni 5 In Cu 35 Ni 5 In 0,15 25 12 PTPE (*) PTPE .(*) 0,075 25 13 60 Cu 40 Ni 60 CU 40 Ni 0,075 18 14 Cu 35 Ni 5 In CM ra o o o CM T o > 0,05 38 (*) Polytetrafluoréthylène. M Usure - Remarques forte, écaillage du métal forte sur le sabot, revêtement endommagé forte sur le sabot, revêtement endommagé forte sur le sabot, revêtement endommagé forte sur le sabot.et l'échantillon forte sur le sabot et l'échantillon modérée, revêtement enlevé forte pour le sabot forte, revêtement usé forte, revêtement écaillé localisée, forte localisée, forte revêtement rugueux, arraché à une extrémité à une extrémité : revêtement rugueux - écaillage. M | \ PO UJ ro CD VJ 71 28337 5.- 2112375 ' 10 15 20 25 Un cas important d'usure que l'on rencontre lors de l'utilisation de tels alliages à "base de titane dans une pièce de masse élevée telle que la soufflante d'un moteur à turbo-souffiante est celui de. l'usure des faces de pression des parties en queue d'aronde lorsque les ailettes de la soufflante s'appliquent contre et s'écartent de leur siège en fonction de la vitesse du moteur. En particulier, des contraintes périphériques engendrent une dilatation circulaire de la roue et une expansion suivie d'une contraction des rainures en queue d'aronde, permettant à la queue d'ailette de glisser sur une distance relative d'environ 0,12 mm transversalement aux faces de pression. Cela se produit généralement deux fois en cours de vol, à savoir une fois au cours du décollage et une fois lors de l'inversion de poussée à l'atterrissage. En conséquence, oh a effectué line autre série d'essais pour déterminer l'influence de la fatigue sur des échantillons soumis à des cycles successifs d'usure préalable jusqu'à 10.000 cycles. Des échantillons à revêtir ont d'abord été sablés puis métallisés au chalumeau avec m alliage de Cu - 35$ Ni - 5% In, puis on a déposé un revêtement à faible coefficient de frottement d'un dichalcogénure du type Mo sur des échantillons sélectionnés. Lors du revêtement, l'échantillon et le sabot d'usure correspondant ont été préparés de la même manière. Des échantillons ont été soumis à un frottement sous une pression de 35 kg/mm avec une course de 0,15 mm et à la cadence de 60 cycles par minute. Tableau II • Résultats moyens d'essai - Echantillons soumis à une préusure - Epaisseur nominale de revêtement de 0,15 mm Contrainte Ex Revêtement* Cycles de Coeff. Aspect de la de liaison 30 pré-usure frott. surface usée kg/mm^ 15 16 aucun 1A 1000 0,62 éraflement modéré 1000 0,58 écaillage du revêt. fort éraflement 24,5 31 ,5 Cycles (x 105) jusqu' à rupture 65 39 35 17 2AB 1000 0,02 légèrement strié 31,5 4700 18 aucun 5000 0,68 modér.arraché 28,0 34 19 1A 5000 0,59 rev.écaillé; arraché 31,5 21 20 2AB 5000 0,04 légèr.strié 31,5 6500 21 2AB 10000 0,04 léger.strié 31,5 6090 71 28337 6.- 2112375 * 1 = échantillon seulement ; 2 = sabot et échantillon A = Cu 35 Ni 5 In pour la couché de base; B = Mo S2 pour la couche extérieure. les aspects de surface d'usure donnés dans le tableau II 5 définissent les échantillons comme étant "striés", "éraflés" ou "arrachés". Ces termes ont pour but de préciser l'échelonnement des dommages apparaissant par usure superficielle. Des échantillons striés semblent les moins usés et ils comportent seulement des stries superficielles indiquant un mouvement relatif. Un éraflement 10 donne l'impression d'une légère perte de métal en plus de stries dûes à l'usure. Un arrachement peut être décrit comme une forme d'usure se traduisant par un affouillement et une désagrégation du métal et par son transfert dans l'interface sous l'effet d'un mouvement alternatif, le mécanisme fondamental d'usure, à savoir 15 l'adhérence, intervient de façon nette pour produire l'effet décrit bien que les autres mécanismes, à savoir l'abrasion, la corrosion et la fatigue superficielle, se manifestent à un degré moindre. Les résultats de frottement donnés dans le tableau II 20 montrent clairement l'effet bénéfique de lubrification du bisulfure de molybdène Mo Sg. Les échantillons non revêtus, représentés par les exemples 15 et 18, ont présenté un coefficient de frottement moyen de 0,65, la moyenne étant de 0,62 pour 1000 cycles et de 0,68 pour 5000 cycles. Du fait de l'arrachement et de l'érafle-25 ment de ces échantillons non revêtus, les essais n'ont pas été poursuivis jusqu'à 10.000 cycles. Le revêtement de Cu - 35$ Ni - 5% In, non lubrifié par le bisulfure de molybdène de faible coefficient de frottement, a donné, lors du frottement contre un alliage de titane non revêtu 30 correspondant aux exemples 16 et 19, un coefficient de frottement d'environ 0,6. A titre de comparaison, les échantillons et sabots revêtus chacun d'une couche de base d'alliage Cu-Ni-In puis revêtus de la couche de bisulfure de molybdène de faible coefficient de frottement, comme indiqué dans les exemples 17, 20 et 21, ont 35 présenté seulement des coefficients de frottement de 0,02 à 0,04 au bout de 10.000 cycles de frottement. Les échantillons correspondant aux exemples 15 et 18, soumis à une usure en l'absence de revêtement, ont tous présenté un arrachement dont le degré a aug 71 28337 7.- 2112375 1 mente entre 1000 et 5000 cycles d'usure. Des examens photomicro-graphiques ont mis en évidence des fissures superficielles partant de la zone endommagée par arrachement sur tous les échantillons. Ainsi on a constaté très tôt une rupture par fatigue des échantil-5 Ions correspondant aux exemples 15 et 18 ainsi que des échantillons correspondant aux exemples 16 et 19 dans lesquels une couche d'alliage Cu-Ni-In est prévue seulement sur les échantillons mais non sur les sabots et la couche de faible coefficient de frottement est absente. 10 Des échantillons revêtus de bisulfure de molybdène sur la couche de Cu-Ni-In ont au contraire présenté des surfaces d'usure seulement légèrement striées, sans endommagement du substrat, même après au moins 10.000 cycles d'usure, lorsqu'on a examiné les surfaces de titane après enlèvement chimique des revêtements, on a 15 constaté qu'elles avaient été parfaitement protégées contre un endommagement pendant au moins 10.000 cycles d'usure. Lorsqu'on ne dépose pas de bisulfure de molybdène sur la couche de base, le revêtement est soumis à un grippage, il adhère sur le sabot revêtu et non lubrifié et il est arraché de l'échan-20 tillon en moins de 10.000 cycles. Après enlèvement du revêtement, on a observé -une usure importante de la surface d'alliage en titane qui révèle une perte de résistance à la fatigue aussi importante que pour les échantillons de titane intentionnellement non revêtus. Les essais de résistance à la fatigue, faisant intervenir 25 un nombre élevé de cycles et dont les résultats sont donnés dans le.tableau II, ont été effectués sous une contrainte de traction moyenne de 28 kg/mm avec flexion alternée jusqu'à rupture. Ces résultats ont montré que le sablage et le revêtement ultérieur n'affectaient pas la résistance à la fatigue de l'alliage dans les 30 conditions d'essai. Egalement on a trouvé que la combinaison d'une première couche liée aux deux surfaces d'appui avec un alliage de Cu-Ni-In recouvert du dichalcogénure de faible coefficient de frottement constitué par le bisulfure de molybdène Mo assurait une protection complète de la surface pendant au moins 10.000 35 cycles de pré-usure en conservant la résistance à la fatigue. Ces essais ont également montré que 1 ' endommagement par usure de surfaces de titane frottées contre du titane réduisait très sensiblement, dans le cas d'une absence de lubrification des couches ue 71 28337 8.- 2112375 1 base, la capacité de résistance à la fatigue. En conséquence.la combinaison essayée, qui représente le mode préféré de réalisation de l'invention, assure une protection très efficace d'une pièce contre l'usure. Elle établit une liaison appropriée avec le substrat 5 en titane de manière à empêcher un frottement des surfaces de titane. En outre elle semble former dans le revêtement de base constitué d'un "alliage favorisant le cisaillement", une couche intermédiaire de structure lamellaire et relativement tendre qui a tendance à égaliser les contraintes de contact dans les faces 10 soumises à une pression. En outre, cette couche de base peut également céder dans son épaisseur sous l'action de contraintes cycliques de cisaillement de faible amplitude an vue de réduire au minimum un mouvement relatif sur les surfaces de revêtement. La présence d'un oxyde lubrifiant constitué par l'indium de faible 15 point de fusion semble favoriser l'établissement de ces caractéristiques. Dans une autre série d'essais, on a étudié d'autres matières de revêtement de base ainsi que d'autres revêtements secondaires du type à faible coefficient de frottement. Dans ces 20 essais, le revêtement de base a été déposé sur une seule des deux pièces frottantes et on a déposé le même revêtement de faible, coefficient de frottement sur les deux pièces frottantes afin que les deux pièces frottent l'une contre l'autre par l'intermédiaire des couches de faible coefficient de frottement. 25 Tableau III Contrainte de flexion : 31,5 kg/mm Epaisseur nominale de revêtement : 0,15 mm Nombre moyen Coefficient de Revêtement(1) Aspect de de cycles frottement moyen surface (x10-5) jus- 30 Exemple 5000 cyc. 10.000 cyc. Echant♦Sabot d'usure qu'à rupture 22 rien rien aucun aucun - 1116 23 0,25 0,3 B B arraché 59 24 0,01 0,01 B* AB creux peu profond 3500 25 0,23 — C* AC fort arrachement 166 26 0,02 B* DB quelques points d'arrachement 188 27 0,18 - B* EB fort arrachement 105 71 28337 9.- 2112375 ' * rodé à la vapeur pour retenir le revêtement (1) A = Cu-35 Ni-5In pour la couche de base B = Mo S2 pour la couche extérieure C = couche extérieure en graphite 5 D = 60 Cu - 40 Ni pour la couche de base E = Ni - 18 Al pour la couche de base Bien que la combinaison à double couche superficielle Cu - 35$ Ni - 5$ In/Mo S2 représentée par les exemples 17, 20 et 21 du tableau II corresponde au mode préféré d'application de 10 l'invention du fait de la protection totale assurée à la surface de base, les résultats condensés dans le tableau III mettent en évidence l'avantage d'une autre forme de l'invention pour certaines applications, comme le montre l'exemple 24. Dans cet exemple, le frottement de surfaces revêtues de Mo S2 contre un sabot revêtu 15 d'une seule couche de base formée de l'alliage Cu - Ni - In, a fait ressortir une protection de l'échantillon jusqu'à 10.000 cycles, comme indiqué par les valeurs de résistance à la fatigue. Dans cette série d'essais, on a constaté le fait intéressant que, comme indiqué par l'exemple 26, un faible coefficient de frotte-20 ment ne signifie pas nécessairement qu'il se produit ou non un endommagement du métal de base sous-jacent. Dans l'exemple 26, on a enregistré une réduction sensible de la résistance à la fatigue de l'échantillon bien que le coefficient de frottement soit très faible. 25 Cette série d'essais, représentée par les résultats du tableau III, a permis de comparer trois revêtements de base associés aux trois revêtements à faible coefficient de frottement du type dichalcogénure constitué par le Mo S2 et la pellicule solide de graphite de lubrification utilisée à grande échelle. Il 30 est à noter que, dans les conditions d'exécution de ces essais qui simulent celles se produisant dans la zone de jonction entre les queues d'aronde d'ailettes et les rainures de profil correspondant des roues d'une turbo-souffiante, non seulement le coefficient de frottement est relativement élevé, comme indiqué par 35 l'exemple 25, mais on enregistre également un fort arrachement des surfaces d'usure. En outre, un contrôle de l'échantillon après l'essai d'usure a fait ressortir une forte réduction de la résistance à la fatigue. 71 28337 10.- 2112375 Souvent le coefficient de frottement entre des surfaces appliquées l'une contre l'autre est utilisé pour mesurer l'efficacité d'un revêtement à protéger des surfaces d'une pièce contre l'usure et contre une perte résultante de résistance à la fatigue. 5 Cependant on a constaté que ces résultats pouvaient parfois être mal interprétés et qu'il était nécessaire d'utiliser des mesures réelles de résistance à la fatigue pour apprécier convenablement les qualités de tels revêtements. L'invention permet d'assurer une protection de surface de frottement en déposant sur au moins 10 une des surfaces, et de préférence sur les deux surfaces, un alliage à base de cuivre-nickel contenant un élément d'alliage qui joue le rôle de l'indium, chaque surface de frottement étant finalement recouverte d'un dichalcogénure sélectionné tel que du bisulfure de molybdène Mo Sg- De cette manière, les surfaces de 15 dichalcogénure frottent l'une contre l'autre et la surface de la pièce est protégée contre un endommagement par mouvement relatif à l'aide d'un alliage à base de cuivre et de nickel favorisant le cisaillement. 71 28337 11 2112375 REVENDICATIONS 1Système de protection de pièces métalliques en contact mutuel d'usure le long de surfaces d'appui opposées, caractérisé en ce qu'il comprend un revêtement de base appliqué 5 sur l'une au moins des surfaces d'appui et constitué d'un alliage de faible résistance au cisaillement et un revêtement de faible coefficient de frottement déposé en tant que couche extérieure sur chacune des surfaces d'appui, le revêtement de faible coefficient de frottement contenant un dichalcogénure formé d'éléments 10 choisis dans le groupe comprenant Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W et fie et en ce que les pièces s'appliquent l'une contre l'autre par l'intermédiaire du revêtement de faible coefficient de frottement. 2.- Système suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le revêtement de base est appliqué sur chacune des surfaces 15 d'appui. 3.- Système suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le dichalcogénure est du bisulfure de molybdène Mo S£- 4.- Système suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le revêtement de base est formé d'un alliage contenant du 20 cuivre, du nickel et un élément métallique dont l'oxyde assure •une lubrification interne de l'alliage. 5.- Système suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le revêtement de base est formé d'un alliage contenant essentiellement, en pourcentage en poids, environ 20 à 40% Ni, 25 environ 2 à 10$ d'In et le complément de Cu. 6.- Système suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le dichalcogénure est du bisulfure de molybdène Mo S2