Brevet FR2483963A1 — publié le 19811211

La présente invention concerne l'élimination des dé- pôts formés sur la surface d'un objet et, plus particulière- ment, l'élimination d'oxydes des canaux internes d'un objet. Etant donné qu'on a amélioré les performances des mo- teurs à turbines à gaz modernes en augmentant les températu- res atteintes dans la partie turbine, les concepteurs ont jugé souhaitable d'abandonner les organes pleins, tels que des ailettes de turbine, pour des configurations à refroidissement par air. En général, on ménage à l'intérieur de tels organes refroidis par air -ou organes creux- un canal pour fluide ré- frigérant, en forme de serpentin, et un certain nombre d'ori- fices dans les parois internes et externes afin de permettre l'écoulement du fluide réfrigérant à l'intérieur et son échap- pement vers l'extérieur de tels objets. On trouve une descrip- tion de pale du type refroidi par fluide, pour utilisation dans des conditions de haute température, dans le brevet des Etats- Unis n0 3 628 885. Ainsi qu'on peut le voir d'après la complexité de la conception, le coût de fabrication d'un tel organe est élevé. Etant donné que des organes tels que les pales aérodyna- miques de turbine sont destinés à fonctionner dans des condi- tions de milieu ambiant sévères, à des températures élevées, des dépôts d'oxydes, de silicates et de sulfures peuvent se former sur leurs surfaces externes comme sur les surfaces internes des canaux. De tels dépôts sont particulièrement critiques sur les surfaces internes car ils peuvent s'opposer à l'écoulement du fluide de refroidissement, notamment dans les orifices et canaux relativement fins des parois internes et externes et agir ainsi de manière défavorable sur les caractéristiques de transfert de chaleur de l'organe. Des procédés de réparation de tels organes coûteux à refroidissement par fluide comme les ailettes et aubes de tur- bine ont visé à éliminer ces dépôts des surfaces externes en utilisant des moyens mécaniques tels que le nettoyage par sa- blage, l'abrasion par outils rotatifs, et les vibrations ultra- sonores pour ce qui concerne les surfaces externes. De telles méthodes mécaniques sont virtuellement inefficaces pour les surfaces internes telles que les canaux de refroidissement. On a expérimenté l'utilisation de produits de lessivage acides avec, pour résultat, une attaque excessive du métal de l'organe se tra- duisant par l'élargissement des canaux de refroidissement et, notamment, des orifices fins au-delà des limites acceptables, ce qui affectait défavorablement les caractéristiques de refroidis- sement de l'organe. En outre, le traitement aux vapeurs de fluo- rures pour l'élimination des dépôts peut se traduire, dans cer- tains cas, par l'enlèvement d'un peu d'aluminium de la surface en cours de traitement. En bref, une forme du procédé selon la présente inven- tion pour l'élimination des oxydes, silicates et sulfures ou du produit de leur réaction combinée, déposés sur la surface d'un objet, notamment d'un canal interne ou d'un orifice dans un objet qui a été soumis à des conditions d'utilisation à haute température, comprend la préparation d'une solution aqueuse d'hydroxyde alcalin, choisi de préférence parmi NaOH, KOH et leurs mélanges. L'hydroxyde constitue entre 20% en poids envi- ron et une proportion qui donne une solution aqueuse saturée à la température de 340'C. Le dépôt sur la surface considérée est mis en contact avec la solution aqueuse, en présence d'une atmos- phère non oxydante, dans un autoclave o il est chauffé à des températures comprises dans la gamme 2000C-3400C pendant un temps suffisant pour qu'une réaction se produise entre solution et dé- pôt, donnant un produit de réaction soluble dans la solution. Un déplacement relatif entre solution et dépôt est prévu afin de permettre la poursuite de la réaction. Ensuite, le produit résul- tant de la réaction est balayé avec la solution à partir de la surface telle que celle d'un canal interne. Etant donné que la rétention d'alcali dans les canaux internes peut accélérer la corrosion à chaud de l'objet lors de son utilisation ultérieure à haute température, il est préférable de neutraliser l'hydroxyde alcalin en rinçant le canal au moyen d'un acide neutralisant dilué, bien que l'on puisse utiliser à la place des rinçages répétés à l'eau. Le procédé avec base caustique et autoclave est particulièrement utile pour la réparation de paroi de canal interne ou d'orifice dans un objet réalisé en alliage du type utilisé dans les moteurs à turbine à gaz et basé sur au moins un élément choisi parmi les suivants: Fe, Co et Ni. Si l'on souhaite un revêtement interne, il est possible de l'appliquer après une opération d'élimination des dépôts du type décrit. Le lessivage à l'acide utilisé comme moyen de nettoyage ou d'élimination des dépôts dans les canaux internes de pièces métalliques d'un moteur à turbine à gaz ayant déjà fonctionné, peut se traduire par un nettoyage interne inefficace et un écoulement excessif du fluide de refroidissement par suite de l'agrandissement des orifices ou canaux de refroidissement. Cela a eu pour résultat la mise au rebut de pièces qui, autre- ment, auraient été utilisables. Le procédé de la présente inven- tion fournit un moyen d'enlever les dépôts, en particulier dans les canaux internes et les orifices des organes, avec ou sans revêtement, sans effet sensible sur l'alliage du substrat ou sur un revêtement résiduel quelconque qui peut avoir été appliqué sur un tel alliage. On décrit dans le brevet des Etats-Unis n0 4 073 662 un procédé de séparation d'un matériau à noyau céramique et d'un moulage formé autour de ce matériau. On décrit l'utilisation d'une solution aqueuse d'hydroxyde -soit de NaOH, soit de KOH- dans un autoclave chauffé pour lessivage du noyau. C'est le même type de solution aqueuse d'hydroxyde chauffée dans un au- toclave qui est utilisée dans la présente invention. Cependant, on s'est rendu compte, de manière inattendue, que des points critiques spécifiques existent en liaison avec l'élimination des dépôts d'oxydes, de sulfures ou de silicates, ou de leurs combinaisons, formés sur les parois d'un canal interne d'organe, lorsqu'on veut obtenir la suppression effective de tels dépôts, en évitant, dans le même temps, une condition de pression rela- tivement instable à l'intérieur de l'autoclave. Par exemple, la présente invention a fait ressortir que la plage de 20 à 75% en poids et, de préférence, de 30 à 40% du poids de l'hydroxyde est nécessaire pour éliminer pratiquement les dépôts. Au-dessous de 20% en poids environ, la réaction est trop lente, alors que 75% en poids environ représentent virtuellement une solution aqueuse saturée à la température maximale de fonctionnement envisagée d'environ 3400C. C'est l'une des températures auxquelles la solution approche d'un régime ou d'une relation critiques entre vapeur et liquide. Au-dessus de 3400C, environ, des montées ra- pides en pression se produisent quand la température augmente et, par suite, de très hautes pressions sont exercées dans l'en- ceinte de l'autoclave. Ainsi, la présente invention a retenu la gamme de 200 à 340'C afin d'éviter de telles montées en pression néfastes. L'évaluation de l'invention a montré qu'il se produit un accroissement important de l'élimination des dépôts lorsque la température est maintenue autour d'un minimum de 230'C. Par conséquent, la température recommandée pour utilisation dans la présente invention se situe entre 230 et 3300C. En outre, étant donné que la vitesse d'élimination des dépôts double avec le passage de 20 à 40% en poids d'hydroxyde, la plage de 30 à 40% en poids d'hydroxyde est recommandée. Le temps d'exposition, de 2 à 10 heures en général, est fonction du type et de l'épais- seur du dépôt à éliminer, ainsi que de la concentration de la base caustique et de la température du bain. La présente invention est particulièrement utile dans l'élimination des oxydes, sulfures, silicates ou du produit de leur réaction combinée déposés sur les surfaces internes des superalliages haute température utilisés dans les moteurs à tur- bine à gaz et basés, généralement, sur un ou plusieurs éléments de transition de la triade Fe, Co et Ni. En particulier, les superalliages à base de Ni et à base de Co sont utilisés comme matériaux de fabrication des ailettes et aubes de turbines des moteurs à turbine à gaz. C'est pourquoi la présente invention a été évaluée spécialement en rapport avec les ailettes de tur- bine d'un moteur à turbine à gaz du type utilisé dans l'avia- tion et réalisé en matériau parfois dénommé alliage Rene'80. Cet alliage est plus particulièrement décrit dans le brevet des Etats-Unis no 3 615 376. Après avoir été en service dans un mo- teur à turbine à gaz, on a observé qu'un dépôt de 0,05 mm d'é- paisseur environ s'était formé par oxydation sur les surfaces internes d'une ailette ayant une configuration semblable à celle présentée dans le brevet des Etats-Unis n0 3 628 885. EXEMPLE 1 On a immergé de telles ailettes utilisées sur moteur dans un autoclave contenant une solution à 40% en poids de NaOIl, le reste étant essentiellement de l'eau. Après fermeture, l'au- toclave a été balayé à l'argon en phase gazeuse puis chauffé à une température d'environ 3050C pendant environ 2 heures. La solution a été Agitée à travers les ailettes bien qu'il doive être entendu que tout mouvement relatif entre l'intérieur des ailettes et la solution serait adéquat. Après avoir séjourné dans l'autoclave, les ailettes de turbine ont été retirées et la solution qui, à ce moment, contenait dissous le produit de la réaction entre solution et dépôt a été balayée des surfaces in- ternes au moyen d'une solution aqueuse d'acide minéral ou orga- nique diluée, par exemple une solution de 2% en volume d'HCl et d'eau. Le balayage à l'acide dilué est préférable afin de neu- traliser et d'aider à l'élimination de la solution alcaline retenue dans les canaux internes et éviter ainsi la corrosion sous haute température de la pièce lors de son utilisation ulté- rieure. On a constaté lors d'une inspection a posteriori que le dépôt avait été correctement éliminé de la surface des parties internes de l'ailette tout en évitant des effets sensibles sur l'alliage du substrat ou sur la dimension des canaux internes ou des orifices. Une analyse a permis d'identifier A1203 et Cr2O3 comme composant prédominant de la partie oxyde du dépôt enlevé, conformément à la présente invention, à partir des surfaces in- ternes de la pièce. D'autres oxydes et sulfures moins réactifs et non réactifs, pouvant exister, ont été entraînés avec le pro- duit dissous. Ceci est possible grâce à l'imprégnation de tels oxydes dans les dépôts d'A1203 et Cr2O3. C'est pourquoi la pra- tique du procédé objet de la présente invention, utilisé pour éliminer les dépôts résultant de l'exposition de superalliages dans des conditions d'utilisation à haute température, est basée sur un équilibre minutieux consistant à maintenir la solution aqueuse d'hydroxyde -de préférence de NaOH ou de KOH, ou de leurs mélanges- dans la plage des 20 à 40% en poids, le reste en eau, pour utilisation dans un autoclave en atmosphère non oxydante à une température comprise dans la plage de 200 à 3400C environ. L'atmosphère non oxydante, par exemple de l'argon, est néces- saire et constitue une caractéristique importante de la pré- sente invention, en vue d'éviter la fissuration par corrosion sous contrainte de tels organes utilisés sur moteurs. Ces fis- sures pourraient résulter de l'existence de contraintes rési- duelles dans les organes et de leur contact avec l'oxygène aux températures de l'autoclave en présence d'une atmosphère oxy- dante. EXEMPLE 2 Dans une autre évaluation, les ailettes de turbine en superalliage à base de nickel Rene'80 (signalé plus haut) ont été traitées conformément au procédé de la présente invention qui vient d'être décrit dans l'exemple 1. Ces ailettes de mo- teur à turbine à gaz avaient été en fonctionnement dans des conditions désertiques et étaient recouvertes d'un épais dépôt de silicates. Dans le présent exemple, le temps d'exposition a été de 5 heures avec les mêmes résultats positifs que ceux de l'exemple 1. Après nettoyage, les ailettes ont été aluminiées par calorisation suivant un procédé du type décrit dans le bre- vet des Etats-Unis n0 3 540 878. Le procédé-de la présente invention a aussi été trouvé utile pour éliminer les dépôts d'oxydes à prédominance d'A1203, formés sur la surface aluminiée d'objets tels que ceux réalisés en superalliage Rene'80 (décrit plus haut) ou bien sur la sur- face d'alliages à base de cobalt tels que le superalliage à base de cobalt du commerce connu sous l'appellation d'alliage X40. Contrairement au lessivage à l'acide ou au traitement par va- peurs de fluorures, la pratique du procédé objet de la présente invention n'affecte pas le revêtement aluminié résiduel, non oxydé, de telles surfaces. Le lessivage à l'acide, évalué dans certaines méthodes d'élimination des dépôts ou du type nettoyage, a tendance à enlever de tels revêtements protecteurs résiduels. En outre, l'acide peut attaquer le métal du substrat, entrai- nant l'agrandissement des orifices et l'endommagement de l'objet. Il est très difficile de maîtriser le lessivage à l'acide dans une telle méthode à cause de l'épaisseur du produit de réaction qui se forme et de l'attaque intergranulaire du substrat métal- lique. REVENDICATIONS 1. Procédé d'élimination des dépôts formés à la surface d'un objet réalisé en alliage haute température, basé sur l'un au moins des éléments choisi dans le groupe Fe, Co et Ni, la surface ayant été soumise à des conditions de haute tempéra- ture, procédé caractérisé en ce qu'il consiste à: fournir une solution aqueuse d'hydroxyde alcalin, l'hydroxyde représentant entre 20% en poids et une valeur qui donne une solution aqueuse saturée à la température de 340'C; 10. mettre en contact le dépôt avec la solution aqueuse dans un autoclave en présence d'une atmosphère non oxydante; chauffer la solution dans l'autoclave à une tempéra- ture située dans la plage 200-340'C pendant un temps suffisant pour faire réagir la solution avec le dépôt afin d'obtenir un produit de réaction avec le dépôt tout en assurant un mouvement relatif entre la solution et le dépôt; et enfin balayer le produit de réaction avec le dépôt de la surface pour éliminer la solution alcaline. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le produit de réaction est balayé de la surface au moyen d'une solution aqueuse d'acide dilué. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que: le dépôt est à prédominance d'un produit de réaction choisi parmi un groupe de composés comprenant des oxydes, des silicates, des sulfures et leurs mélanges; et l'hydroxyde représente de 20 à 75% en poids de la solution aqueuse et est choisi dans le groupe comprenant NaOH, KOH et leurs mélanges. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que: l'hydroxyde constitue de 30 à 40% en poids de la so- lution aqueuse; et la température dans l'autoclave se situe dans la plage de 230 à 330'C. 5. Application du procédé de la revendication 3 à la réparation de la surface d'un canal interne dans l'objet, sur laquelle a été appliquée une couche protectrice comprenant de l'aluminium, cette couche étant recouverte d'un dépôt constitué essentiellement d'oxyde d'aluminium, et dans laquelle, après élimination du dépôt et neutralisation de la solution alcaline, un revêtement métallique est appliqué sur la surface. 6. Application selon la revendication 5, caractérisée en ce que le revêtement métallique est un revêtement aluminié.