Brevet FR2313456A1 — publié le 19761231

la présente invention concerne les matériaux d'étanchéité métallocéramiques, réfractaires à base de nickel, fabriqués par des procédés connus de la métallurgie des poudres. De tels matériaux sont employés avec une efficacité maximale dans la fabrication des éléments (pièces) d'étanchéité pour les organes soumis à l'action de veines de gaz chauffés jusqu'à des températures élevées, par exemple pour les viroles de turbines. Les matériaux à base de nickel se rapportent aux matériaux métallocéramiques réfractaires qui trouvent des applications dans les pompes des turbines à gaz, dans certains genres de machines pour véhicules et dans les appareils volants. On connaît un matériau métallocéramique réfractaire à base de nickel contenant en tant qu'additions jusqu'à 3% en poids de silicium et jusqu'à 8* en poids de graphite. Ce matériau est utilisé pour fabriquer les plaques employées dans les joints d'étanchéité radiaux et à labyrinthe des turbines. Toutefois, un tel matériau n'assure pas une durée de services prolongée de la machine quand la température de la veine de gaz est proche de tO00 C, par suite du brtlage du graphite qu'il contient. Ctci provoque une augmentation de la dureté de la surface active des pièces d'étanchéité réalisées avec ce matériau et il s'ensuit une augmentation de l'usure des pièces tournantes (ailettes de la turbine) qui les contactent. En outre, avec le matériau indiqué on ne peut fabriquer des éléments (pièces) d'étanchéité sous la forme d'une bande laminée, car le graphite qu'il contient augmente sa fragilité. Certains matériaux à base de nickel contiennent de 5 à 20% en poids de silicium, cuivre, mica, chrome ou nitrure de bore. Ces matériaux peuvent assurer un service prolongé de la machine, mais à des températures ne dépassant pas 850 C. Ainsi, par exemple, les matériaux à base de nickel contenant du cuivre assurent le service de la machine à des températures ne dépassant pas généralement 6000C. Les matériaux contenant du mica ou des composés de la classe des micas (vermiculite, muscovite, etc.) ont une thermostabilité réduite. Les matériaux contenant du chrome (ou à base de nichrome avec un rapport nickel/chrome égal à 4/1) et du nitrure de bore ne peuvent assurer le bon fonctionnement des machines aux températures supérieures à 8500C. Le nitrure de bore, comme on le sait, a une structure analogue à celle du graphite, mais, à la différence du graphite, il est plus réfractaire et ne brQle pas pendant l'utilisation du matériau. Néanmoins, les matériaux à base de nichrome contenant du nitrure de bore sont enclins à l'oxydation massique due aux résidus de combustion, ce qui conduit à l'altération de la géométrie des plaques d'étanchéité ou au gauchissement des bandes fabriquées avec ces matériaux en cours d'utilisation. Les matériaux connus n'assurent pas un service prolongé des turbines dans lesquelles la température de la veine de gaz est de l'ordre de 10000C, L'usure des ailettes de la turbine augmente le jeu entre la virole de la turbine et ses ailettes tournantes, d'où une augmentation des fuites de gaz chauffés ; il en résulte une consommation superflue de combustible, l'abaissement du rendement de la turbine et la diminution du rayon d'action des appareils volants. L'accroissement des vitesses des véhicules s'accompagne de l'augmentation da puissance des turbines, ce qui implique l'augmentation de la température de la veine de gaz dans les turbines. Ceci a rendu nécessaire la création d'un matériau à base de nickel qui aurait une résistance aux températures élevées, une thermostabilité et une conductivité thermique accrues, tout en assurant une usure minimale des pièces travaillantes conjuguées (par exemple, des ailettes). En outre, il est nécessaire qae le matériau ait un coefficient de dilatation linéaire égal ou à peu près égal à celui de l'alliage dont est faite la virole de la turbine, que la géométrie des pièces d'étanchéité ne se modifie pas et que celles-ci ne sortent pas de la virole et aient une dureté telle que les pièces tournantes qui leur sont conjuguées puissent pénétrer (s'encastrer) dans lesdites pièces d' tanhéité sans s'user notablement dans la zone de contact. Le but de l'invention est de supprimer les complications indiquées. On s'est donc proposé de créer un matériau d'étanchéité métallocéramique réfractaire à base de nickel, danspequel les corstituants et leurs pourcentages seraient tels qu'ils conféreraient au matériau des propriétés rendant possible son utilisation pour la fabrication de pièces d'étanchéité capables d'un fonctionnement prolongé en présence d'une veine de gaz portée à une température allant jusqu'à 10000C. La solution consiste en un matériau d'étanchéité métallocéramique réfractaire à base de nickel, contenant du nitrure de bore, et dans lequel, d'après l'invention, outre les constituants indiqués, il y a du bioxyde de silicium, la composition pondérale dudit matériau étant la suivante : bioxyde de silicium de 5 à 8,0%, nitrure de bore de 1,0 à 10,0 nickel le reste. Un tel matériau convient à la fabrication de pièces d'étanchéité et peut assurer le fonctionnement d'une machine, par exemple d'une turbine à gaz, pendant 3000 heures avec une température de la veine de gaz atteignant 10000C ou 1100 C pendant 500 heures. Ceci s'est avéré possible gracie à la composition indiquée du matériau. Les recherches et les expériences effectuées ont permis d'établir que l'addition de bioxyde de silicium à la base du matériau, notamment à la poudre de nickel, permet d'accroitre la résistance du matériau aux températures élevées grSce à la résistance accrue du nickel à l'oxydation. L'addition de nitrure de bore à la poudre de nickel permet d'abaisser la dureté du matériau grtce à la diffusion des grains de nickel par ceux du nitrure de bore, qui est introduit dans le matériau sous forme de poudres fines. L'introduction du bioxyde de silicium et du nitrure de bore dans les proportions indiquées assure, à des températures de l'ordre de 10000C, la formation à la surface du matériau d'un film d'oxyde qui adhère fortement au matériau en l'empêchant de continuer à s'oxyder, l'épaisseur de ce film n'augmentant pas lors du fonctionnement du matériau. Quand la teneur pondérale du matériau en bioxyde de silicium est inférieure à 0,5%, la résistance du matériau aux températures élevées baisse et la dureté de la surface active des pièces réalisées avec le matériau augmente. L'augmentation de la teneur pondérale du matériau en bioxyde de silicium au-dessus de 8,oS provoque l'abaissement de la résistance du film d'oxyde, son fendillement et l'entranement des particules du film par la veine de gaz quand celle-ci a une grande vitesse, ce qui peut conduire à la rupture des ailettes de la turbine. Une teneur pondérale en nitrure de bore inférieure à 1,0% fait monter la dureté de la surface active des pièces d'étanchéité, ce qui conduit à une usure excessive des pièces conjuguées pendant la marche. L'augmentation de la teneur pondérale en nitrure de bore au-dessus de 10,0% provoque l'abaissement de la résistance aux températures élevées, de la thermostabilité et de la résistance mécanique du matériau. Pour une meilleure compréhension de l'invention, plusieurs exemples de fabrication du matériau en faisant l'objet sont décrits ci-après 2 E5RKPIE 1. Pour fabriquer le matériau on prend, en poids t bioxyde de silicium 0,5% niture de bore 1,Q% nickel ie complément à 100%. Les constituants indiquEs sont introduits sous forme de poudres et mélangés dans un mélangeur du type à tambour. le mélange obtenu est versé dans un moule de compression en acier et comprimé par une presse hydraulique jusqu'à ce que la pièce prenne la forme et la résistance voulues. Ensuite les pièces comprimées sont frittées dans des fours électriques, dans une atmosphère réductrice ou de gaz neutres. On peut de cette manière obtenir des pièces d'étanchéité en forme de plaques, bagues et douilles. Les pièces d'étanchéité du type bande peuvent être obtenues par laminage d'une ébauche en forme de barreau, réalisée par compression et frittage. Le matériau conforme à l'invention, employé pour fabriquer les pièces d'étanchéité décrites, a la composition pondérale suivante bioxyde de silicium 0w 5% nitrure de bore nickel le complément à 100%. Lesdites pièces sont fixées mécaniquement ou brasées à la virole de la turbine. Le matériau obtenu a les propriétés suivante s : L'augmentatian du Poids après oxydation à l'air à 10000C pendant 100 heures est de 0,53 kg/m2, la dureté de la surface est de 45 kg/n-2 ; la densité est de 7,0 g/cm3 et la porosité de i9%. EXEMPLE 2. Le matériau est fabriqué d'une manière analogue à celle décrite dans l'exemple précédent. Le matériau contient (en poids) bioxyde de silicium 5,0% nitrure de bore 5,0%, nickel le complément à 100*. Le matériau obtenu a les propriétés suivantes l'augmentation du poids après oxydation à l'air à 10000C pendant 100 heures est de 0,70 kg/m2, la dureté de la surface est de 48 kg/mm2, la densité est de 6,5 g/cm3 et la porosité de 23%. ElEMPLE 3. Le matériau contient (en poids) t bioxyde de silicium ' 8,0% nitrure de bore 10,0% nickel le complément à 100%. Le procédé de fabrication est analogue à celui décrit dans l'exemple 1. Le matériau obtenu a les propriétés suivantes L'augmentation du poids après oxydation à l'air à 10000C pendant 100 heures est de 1,1 kg/m2, la dureté de la surface est de 45 kg/mm2, la densité est de 6,3 g/cm3 et la porosité de 25%. Les résultats des essais ont montré que le matériau indiqué peut être utilisé avec succès à des températures élevées, (allant jusqu' 1000 C) pendant plusieurs milliers d'heures, et pendant de courtes durées (jusqu'à 100 heures) à la température de 12000C. Le matériau proposé a une composition chimique stable. Ainsi, par exemple, sa composition ne s'est pas modifiée après 2000 heures de service d'une pièce d'étanchéité dans une veine de gaz à 10000C. Des pièces d'étanchéité ainsi éprouvées ne présentaient aucun retrait malgré la vibration prolongée. Le matériau d'étanchéité fabriqué conformément à l'invention a une résistance accrue aux températures élevées, et, après oxydation à l'air à une température de 10000C, l'augmentation de son poids a la valeur suivante s durant 100 heures 0,38 kg/m2 durant 450 heures 0,64 kg7i2 durant 1050 heures 0,91 kg/m2 durant 1250 heures 0,95 kg/m2 durant 1450 heures 0,95 kg/m2 durant 1650 heures 1,04 kg/m2 durant 1800 heures 1,05 kg/t durant 2000 heures 1,06 kg/m2 durant 3000 heures 1,10 kg/m2 Les échantillons de matériau ont une densité de 6,2 à 6,8 g/cm3 et une porosité de 13 à 17%. La dureté Brinell initiale est de 20 à 40 kg/mm2. Le matériau est usinable par coupe et se prote bien au brasage. Aux essais de thermostabilité dans la flamine d'un bradeur à gaz, le matériau a supporté 300 cycles sans se fendiller. Â chaque cycle l'épouvette de matériau a été chauffée jusqu'à 10000C en 60 s et refroidie Jusqu'à 1000C en 60 s. Une bande en matériau d'étanchéité proposé de 1 à 2 mm d'épaisseur est plastique et peut entre cintrée en anneau de 30 mm de diamètre au moins, ou être pliée et redressée jusqu'à 30 fois. Le coefficient de dilatation linéaire (&alpha; . 106) est t entre 20 et 100 C 12,9 C-1 entre 20 et 7000C 15,5 C-1 outre 20 et 8000C 15,9 C-1 entre 20 et 9000C 16,3 C-1 entre 20 et 10000C 16,4 C-1 cal Le coefficient de conductibilité thermique ( cm.s. C ) est : à 250C 0,088 à 1000C 0,084 à 5000C 0,078 à 700 C 0,078 à 1000 C 0,076 Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituants des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. Matériau d'étanchéite métallocéramique réfractaire à base de nickel, du type contenant du nitrure de bore, caractérisé en ce que, outre le nickel et le nitrure de bore, il contient du bioxyde dé silicium. 2. Matériau suivant la revendication 1, caractérisé en ce que sa composition pondérale est la suivante bioxyde de silicium de 5 à 8,0* nitrure de bore de 1,0 à 10,0% nickel le complément à 100%.