Brevet FR2478677A1 — publié le 19810925

La présente invention concerne les compositions pour couches protectrices de pièces de machines, en parti- culier celles se présentant sous forme pulvérulente En vue d'un plus grand rendement, les températures auxquelles doivent travailler les composants des moteurs à turbine à gaz augmentent constamment. Ceci conduit à l'emploi de matériaux de moins en moins courante pour la fabrication de ces composants ainsi qu'à l'établissement de systèmes compliqués de refroi- diseement Pour éluder ces solutions coUteuses, on a proposé de revêtir ces composants de matières céramiques pour former une barrière thermique assurant le maintien de la température de ces composants dans des limites acceptables. Ces revêtements céramiques pourront être appliqués par des techniques telles que la pul- vérisation (ou projection-fragmentation au pistolet) à la flamme. Mais les matières céramiques sont très fragiles et ont tendance à se détacher par écailles lorsque les pièces qu'elles recouvrent se dilatent et se contractent sous l'influence des changements de température. Cet effet peut être atténué en réduisant l'épaisseur du revêtement céramique mais, évidemment, ces revêtements amincis sont moins efficaces comme barrières thermiques. Dans notre Demande Conjointe de Brevet Britannique Ng 79-29.000, nous décrivons une matière enductrice contenant des particules creuses de verre, enduites chacune d'un alliage à base de nickel ou de cobalt et contenant de l'aluminium et du chrome. Lorsque cette matière enductrice est pulvérisée à la flamme sur une surface appropriée, elle forme une barrière thermique de très faible conductibilité ther- mique, mais si on l'utilise sur des surfaces exposées à des conditions extrêmes d'oxydation et de choc ther- mique, telles que dans l'appareillage de combustion d'un moteur à turbine à gaz, elle a tendance à s'é- cailler - la présente invention a pour objet de réaliser une composition pour couche protectrice présentant, lors- qu'elle est déposée sur une surface, une conductibi- lité thermique relativement faible de façon à former une barrière thermique efficace tout en pouvant ré- sister aux conditions d'oxydation et de choc thermique. Selon un premier aspect de l'invention, une poudre appropriée à être pulvérisée à la flamme comprend un mélange de 20 à 40 % en volume de particules d'un alliage à base de nickel ou de cobalt, contenant du chrome et de l'aluminium, le complément étant repré- senté par des particules d'un verre déterminé, chacune desdites particules étant creuse et enduite d'un al- liage à base de nickel ou de cobalt, contenant du chrome et de l'aluminium Dans la présente description, le terme "pulvérisation à la flamme" désigne aussi bien la pulvérisation à la flamme avec combustion que la pulvérisation au plasma. De préférence, le verre en question sera un verre d'alumino-silicate. De préférence, ce verre formera de 5 à 90 % en poids de chacune desdites particules de verre enduites. De préférence, lesdites particules de verre enduites auront un diamètre compris entre 20 et 250 p. De préférence, lesdites particules d'alliage à base. de nickel ou de cobalt auront un diamètre compris entre 45 et 150 p. Selon un second aspect de l'invention, un prooédé de revêtement d'une surface consiste à pulvériser à la flamme, sur ladite surface, une-poudre selon une quel- conque des définitions ci-dessus de façon à former un revêtement d'épaisseur comprise entre 0,2 et 7 mm. Ce revêtement pourra constituer une couche d'un revê- tement multi-couches dont la, ou les autres couches seront de nature métallique ou céramique Selon un troisième aspect de l'invention, un procédé de revêtement d'une surface consiste à appliquer à ladite surface une couche d'une poudre selon une quel- conque des définitions ci-dessus puis à chauffer cette poudre à une température assez élevée pour en provo- quer le frittage. Afin de faciliter son application à la surface à re- vêtir, la poudre pourra être en suspension dans un liant liquide choisi de façon à s'évaporer ou à se consumer à une température égale ou inférieure à ladite température de frittage. Une série d'essais comparatifs a été effectuée en vue d'étudier la résistance & l'oxydation et au choc ther- mique des revêtements contenant des poudres enductri- ces conformes à l'invention. Plus spécifiquement, on a préparé une série d'éprouvettes constituées chacune par une feuille de 2 mm d'épaisseur en alliage à base de nickel connu sous la désignation "Nimonic 75" A la- quelle on avait appliqué, par pulvérisation à la flam- me, une couche de liaison en alliage à base de nickel connu sous la désignation "Metco 443" et une couche supérieure de la poudre enductrice faisant l'objet de l'essai. L'épaisseur de la couche de liaison était comprise entre 0,075 et 0,125 mm et celle de la cou- che supérieure de poudre enductrice étudiée était comprise entre 0,5 et 0,75 mm. La poudre conforme à l'invention était constituée par un mélange de 20 à 40 % en volume de particules d'un alliage ayant la composition ci-après: Aluminium 4,5 à 7,5 % en poids Manganèse 0 à 3 % -- Carbone 0 à 0,3% -- Silicium 0 à 2,0 % -- Chrome 15,5 à21,5 % -- Fer 0 A 1,5% -- Nickel complément Diamètre des particules: de 45 à 150 le complément étant constitué par des sphères creuses de verre d'alumino-silicate enduites chacune d'un al- liage contenant (en poids): 80% de nickel, 2,5% d'a- luminium, 15,7% de chrome, et 1,8% de silicium. Ce verre contenait: 31, 97% d'A1203, 60,75% de Si02, 4,18% de Fe203, 1,91% de K20, et 0,81% de Na20, tou- jours en poids. Le diamètre des sphères nues était d'environ 20 à 200 y et l'épaisseur de leurs parois était comprise entre 2 et 10. Dans cette poudre, le verre représentait 10 % en poids de chaque particule enduite mais, en fait, le verre pourra constituer de 5 à 90 % en poids de chaque par- ticule Après application de la couche de liaison et de la couche supérieure à chaque éprouvette, chacune d'el- les fut soumise, soit à un essai d'oxydation, soit à un essai de choc thermique. L'essai de résistance au choc thermique consistait à chauffer l'éprouvette pendant deux heures à une température de 10502C puis à la placer immédiatement après dans un courant d'air froid,.ces deux opérations constituant ensemble un cycle d'essai. Ces cycles d'essai furent répétés jusqu'à ce que la couche supérieure manifeste sa dé- fection en se détachant par écailles de l'éprouvette L'essai de résistance à l'oxydation consistait à chauffer l'éprouvette à une température de 10509C jusqu'à ce que la couche supérieure, en se détachant par écailles de l'éprouvette, révèle l'oxydation Les résultats obtenus sont présentés dans les deux tableaux ci-après. TABLEAU 1: Résistance au Choc Thermiaue 2 de l'é- Description de Conditions Nombre de prouvette l'enduit d'applica- cycles a- tion vant dé- ____ ___ ___ ___ _ Lfection Couche de liaison: Metco 443 À 1 Couche supérieure: A 1 sphères de verre enduites d'un al- liage de nickel. Couche de liaison: Metco 443. Couche supérieure: sphères de verre 2 enduites d'un al- A 50+ liage de nickel (66% en volume), complément: parti- cules d'alliage de nickel. Couche de liaison: Metco 443 Couche supérieure: sphères de verre 3 enduites d'un al- B 50+ liage de nickel (80% en volume), complément: parti- cules d'alliage de nickel =S===========2======== ====== Z=== TABLEAU 2: Résistance à l'oxydation : de l'é- Description de Conditions Nombre prouvette l'enduit d'applica- d'heures tion avant défection Couche de liaison: Metco 443 Couche supérieure: sphères de verre enduites d'un al- liage de nickel - - - - - - - - - - A TABLEAU 2 (Suite) Couche de liaison: Metco 443 Couche supérieure: sphères de verre enduites d'un al- A 100+ liage de nickel (66% en volume), complément: parti- cules d'alliage de nickel. Couche de liaison: Metco 443. Couche supérieure: sphères de verre 6 enduites d'un al- B 100+ liage de nickel (80% en volume), complément: parti- cules d'alliage de nickel =============-------------------======-------= Les conditions d'application A, de pulvérisation & la flamme, étaient les suivantes: - type de pistolet: Metco 52 - type de buse: P7-B - partie poudre: Il - réglage de la détente: 12 - courant d'acétylène: 32 unités courant d'oxygène: 32 unités - réglage du capuchon d'air: 1,4 kg/cm2 (pincement) - distance de projection: 15 cm Les conditions d'application B, de pulvérisation à la flamme étaient les suivantes: - type de pistolet: Metco 5P - type de buse: P7-B - partie poudre: 11 - réglage de la détente: 12 - courant d'acétylène: 29 unités - courant d'oxygène 29 unités réglage du capuchon d'air: 1,4 kg/cm (pincement) - distance de projection: 30 cm _______________ Dans les deux séries d'essais, la couche supérieure des éprouvettes 1 et 4 était constituée par des sphères de verre enduites seulement d'un alliage de nickel. Ces éprouvettes ont donc servi d'éléments de référence permettant de juger du comportement des revêtements faits des poudres conformes à la présente invention. L'examen des résultats révèle que, dans le premier cas, les éprouvettes enduites des revête- ments selon l'invention résistaient à 50 cycles de choc thermique et à 100 heures à 10502C sans défec- tion due à un choc thermique ou à l'oxydation Outre l'aptitude des poudres de l'invention à une pulvérisation accompagnée de combustion, l'invention envisage la possibilité de les pulvériser au plasma sur une surface ou de les appliquer sous forme de boues à une surface à l'aide d'un liant liquide ap- proprié. En cas d'application sous forme de boue, l'application devra être suivie de plusieurs phases de chauffage pour évaporer ou consumer le liant et fritter les particules. Un liant apporprié serait celui qui s'évaporerait ou se consumerait à une tem- pératuré égale ou inférieure à la température de frittage, telle qu'une résine organique dont la com- bustion laisserait peu ou pas de résidu, par exemple une résine d'ester polyméthacrylique. Outre que les revêtements réalisés par application d'une boue forment des barrières thermiques efficaces, leur degré de porosité les rend aptes à former des joints d'étanchéité pouvant être érodés. De tels revêtements pourraient donc être appliqués aux sur- faces radiales internes du compresseur d'un moteur à turbine à gaz à flux axial de façon à être érodés, pendant le fonctionnement du moteur, par les pointes des aubes mobiles de ce compresseur. La présente invention a été décrite en se référant à un mélange contenant des sphères creuses en verre d'alumino-silicate enduites d'un alliage de nickel, d'aluminium, de chrome et de silicium. Mais elle envisage l'emploi d'autres alliages convenables à base de nickel, contenant de l'aluminium et du chrome. En outre, d'autres verres appropriés pourront être utilisés au lieu du verre d'alumino-silicate et les autres particules d'alliage à base de nickel du mé- lange pourront être-faites d'un alliage différent de celui défini dans la description qui précède. Par exemple, les autres particules pourront être faites d'un alliage différent à base de nickel et contenant de l'aluminium et du chrome ou même d'un alliage à base de cobalt, contenant de l'aluminium et du chrome. Bien que la présente description ait été faite en se référant à des revêtements d'une épaisseur comprise entre 0,5 et 0,75 mm, on comprendra que les revêtez ments pourront avoir d'autres épaisseurs selon le but envisagé pour le revêtement. C'est ainsi que les auteurs de l'invention pensent que les revêtements selon l'invention pourraient avoir une épaisseur com- prise entre 0,2 et 7 mm et constituer cependant une barrière thermique efficace. De plus, on comprendra également que les revêtements selon l'invention pour- ront être appliqués conjointement avec des revêtements faits d'autres matières de façon à réaliser une struc- ture du genre sandwich. C'est ainsi qu'il est en gé- néral souhaitable de disposer une couche de liaison entre le revêtement selon l'invention et la surface à protéger. Au lieu ou en plus de ceci, un revête- ment' supplémentaire, qui pourra être métallique ou céramique, pourra être appliqué par dessus le revête- ment selon l'invention. Cette dernière façon de faire pourra être indispensable, par exemple, pour des piè- ces devalt travailler dans des environnements particu- lièrement érosifs, corrosifs ou oxydants Il REVENDICATIONS 1. Poudre appropriée à gtre pulvérisée à la flamme, caractérisée en ce que ladite poudre est un mé- lange de 20 à 40 ao en volume de particules d'un alliage à base de nickel ou de cobalt, contenant de l'aluminium et du chrome, le complément étant constitué par des particules d'un verre, chacune desdites particules étant creuse et enduite d'un alliage à base de nickel ou de cobalt, contenant du chrome et de l'aluminium. 2. Poudre selon la Revendication 1, caractérisée en ce que ledit verre est un verre d'alumino-silicate. 3. Poudre selon une quelconque des Revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que ledit verre forme de à 90 % en poids de chacune desdites particules de verre enduites. 4. Poudre selon une quelconque des Revendications 1, 2 ou 3, caractérisée en ce que le diamètre desdites particules de verre enduites est compris entre 20 et 250 P 5. Poudre selon une quelconque des Revendications 1, 2, 3 ou 4, caractérisée en ce que le diamètre des- dites particules d'alliage à base de nickel ou de cobalt est compris entre 45 et 150 a. 6. Poudre appropriée à être pulvérisée à la flamme, caractérisée en ce que ladite poudre comprend un mélange de 20 A 40 % en volume de particules d'un alliage contenant, en poids, 4,5 à 7,5 % d'alumi- nium, 0 à 3,0 % de manganèse, O à 0,3 % de carbone, 0 à 2,0 % de silicium, 15,5 à 21,5 % de chrome, 0 à 1,5 % de fer, le complément étant du nickel, et en ce que le complément dudit mélange est cons- titué par des particules d'un verre, chacune des- dites particules de verre étant creuse et enduite d'un alliage à base de nickel ou de cobalt conte- nant du chrome et de l'aluminium 7. Poudre appropriée à être pulvérisée à la flamme selon la Revendication 6, caractérisée en ce que lesdites particules de verre sont enduites d'un alliage comprenant, en poids, 80 % de nickel, 2,5 % d'aluminium, 15,7 % de chrome et 1,8 % de silicium. 8. Poudre appropriée à Otre pulvérisée à la flamme selon une quelconque des Revendications 6 ou 7, caractérisée en ce que ledit verre comprend, en poids, 31,97 % d'A1203, 60,75 % de Si02, 4,18 % de Fe203, 1,91 % de E20 et 0,81 % de Na20, et forme 10 % en poids de chacune desdites particules enduites. 9. Procédé d'Ienduction d'une surface, caractérisé en ce qu'il consiste à pulvériser à la flamme, sur ladite surface, une poudre selon une quelconque des Revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 ou 8, de façon à former un revêtement d'épaisseur comprise entre 0,2 et 7 mm. 10. Procédé d'enduction d'une surface selon la Reven- dication 9, caractérisé en ce que l'enduit consti- tue une couche d'un revêtement multi-couches dont la ou les autres couches sont de nature métallique ou céramique. 11. Procédé d'enduction d'une surface, caractérisé en ce qu'il consiste à appliquer à ladite surface une couche d'une poudre selon une quelconque des Re- vendioations 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 ou 8, puis A chauffer cette poudre & une température assez élevée pour en provoquer le frittage. 12. Procédé d'enduction d'une surface selon la Reven- dication 11, caractérisé en ce qu'il consiste à mettre ladite poudre en suspension dans un liant liquide destiné à en faciliter l'application à ladite surface, ce liant étant choisi de façon A s'évaporer ou à se consumer à une température 6- gale ou inférieure à ladite température de frit- tage.