Brevet FR2487713A1 — publié le 19820205

La stabilité superficielle des superalliages est un problème important en ce qui concerne les turbines à gaz indus- trielles modernes. La combustion de fuel-oils lourds donne nais- sance à des milieux hautement corrosifs qui, joints aux tempé- ratures de combustion élevées et à des intervalles plus longs entre deux opérations d'entretien, entraînent des limitations très strictes dans le choix des matériaux. Une solution au pro- blème de stabilité superficielle fait appel à l'application d'un alliage de revêtement en feuille très résistant à l'oxyda- tion et à la corrosion sur un substrat à haute résistance. Des progrès considérables ont été accomplis dans la mise au point de méthodes de liaison par diffusion d'un revêtement à de tels substrats. Par exemple, le brevet des Etats-Unis n0 3 928 901 présente une méthode dans laquelle le revêtement en feuille est pressé isostatiquement à froid pour réaliser une pellicule adhé- rente sur le substrat. Dans le brevet des Etats-Unis n0 3 904 101 on décrit un procédé suivant lequel le revêtement est appliqué, le vide est fait dans l'espace entre revêtement et substrat, toutes les jonctions sont brasées sous vide puis la liaison de l'ensemble est obtenue par diffusion sous haute pression et haute température dans un autoclave contenant un milieu gazeux. Le brevet des Etats-Unis n0 3 962 939 décrit un procédé dans lequel un revêtement en feuille et le substrat sont pré-assemblés et masqués à toutes les jonctions, entourés de morceaux de verre puis assemblés par diffusion à chaud, pour faire fondre le verre et assurer un état de contrainte isostatique. Les processus de revêtement couramment utilisés compren- nent un assez grand nombre d'étapes dont certaines requièrent des tâches nombreuses et, de ce fait, co tent cher, Ces techniques sont aussi difficiles à appliquer aux configurations plus com- plexes telles que les segments de diffuseurs à aubes multiples. Dans certains processus de revêtement des phases eutectiques à bas point de fusion subsistent après l'opération de revêtement et sont caractérisées par leur fragilité aux basses températu- res. Des inclusions d'oxydes et d'autres substances peuvent aussi exister au point d'adhérence revêtement/substrat. La présente invention a pour objet une nouvelle méthode de revêtement par feuille liée par diffusion sur des pièces à configuration complexe, éliminant plusieurs des étapes princi- pales utilisées dans l'art antérieur tout en offrant simultané- ment la possibilité de réaliser facilement et efficacement un revêtement sur différentes configurations de substrats, et la fourniture d'objets ainsi produits. La description détaillée ci-après rendra évident aux yeux des personnes de l'art cet objet de la présente invention ainsi que d'autres. L'invention concerne une méthode de liaison par diffu- sion de revêtements en feuille sur des substrats et les pièces résultant d'une telle opération. Plus particulièrement, la méthode comprend le dépôt de bore sur au moins une des surfaces de portée du revêtement et du substrat, la mise en place du revêtement sur l'objet, et l'exposition de l'assemblage résul- tant à un cycle temporel et thermique suffisant pour provoquer la formation d'une zone liquide entre les surfaces de portée du revêtement et du substrat, et à un cycle de pression isosta- tique à chaud (PIC) temps-température-pression suffisant pour lier complètement le revêtement au substrat. Le procédé de la présente invention est applicable à la fabrication des aubes de turbine à gaz, aux segments de diffu- seur à aubes multiples o les configurations sont de fabrica- tion malaisée, à certains étages de pièces de passage des gaz chauds de turbine à gaz à très haute température, etc. De telles pièces comportent un substrat avec revêtement, de forme appro- priée. Le substrat est en métal coulé et, bien que la présente invention soit applicable à tous les types de pièces coulées, elle est particulièrement utile pour les pièces coulées réali- sées avec les alliages les plus résistants à base de nickel, cobalt ou fer, appelés superalliages dans l'industrie. L'élabo- ration de la pièce coulée elle-même est classique et ne fait pas partie de la présente invention. On peut utiliser toute pièce coulée (ou revêtement) dont la surface accepte une couche de bore, capable également d'accepter un soudage tel que le soudage par décharge de condensateur. Les matériaux de revêtement recommandés sont les allia- ges au nickel-chrome tels que ceux commercialisés par l'Interna- tional Nickel Company sous l'appellation IN-671 et IN.617. Ces alliages au nickel-chrome sont constitués essentiellement de à 80% eh poids de nickel et de 20 à 50% en poids de chrome. Les alliages les plus complexes contiennent un certain nombre d'éléments à l'exemple de l'IN-617 qui comprend 22% en poids de chrome, 1% en poids d'aluminium, 2,4% en poids de cobalt, 9% en poids de molybdène, 0,003% de bore et 0,007% de carbone, le reste étant du nickel. D'autres matériaux de revêtement peu- vent être utilisés tels que les suivants: Hastelloy-X, FeCrAlY (2541), HS 188, acier inoxydable 304, etc. Les matériaux du revêtement ou du substrat doivent pouvoir recevoir une couche de bore et accepter le soudage avec un appareil de soudage par décharge de condensateur.- A titre d'exemple, l'épaisseur d'un revêtement-type peut aller d'environ 0, 127 mm à 1,27 mm, et, de préférence, de 0,254 mm à 0,762 mm; toutefois, d'autres épaisseurs peuvent convenir sans s'écarter de l'esprit de la présente invention. Dans la méthode de la présente invention, l'une des sur- faces de portée du revêtement en feuille et du substrat (ou éventuellement les deux) peut Ipeuvent) être dotée(s) d'une couche de bore par tout procédé classique approprié. La borura- tion peut être réalisée avant ou après la mise en forme de la feuille de revêtement dans le cas o la surface de portée de ce revêtement doit recevoir le dépôt. Ensuite, la feuille de revête- ment et le substrat sont assemblés de la manière classique, c'est- à-dire que la feuille pré-façonnée, de composition et de forme appropriées, est préparée par un moyen convenable tel que déca- page chimique, dégraissage, abrasion ou nickelage puis placée sur le substrat; les jonctions sont alors soudées par points ou soudées en continu par résistance de telle manière que l'inter- valle entre jonctions soit aussi faible que possible. En géné- ral, on peut obtenir un intervalle inférieur à 0,0254 mm. Le bore agit comme produit abaisseur de la température de fusion pour la surface du matériau ayant reçu le dépôt, de sorte que l'objet boruré a une température globale de fusion supérieure à celle de la surface borurée. Lorsque l'ensemble est soumis à une combinaison appropriée de température élevée et de longue durée sous vide, la surface fond pour constituer une zone liquide; ceci est suivi d'une solidification rapide isotherme de la phase liquide du fait du taux de diffusion extrêmement rapide du bore par suite de sa faible dimension atomique (rayon atomique: 0,80 Angstr5m) par rapport à d'autres produits abaisseurs de la température de fusion tels que le silicium ou le phosphore. Le traitement thermique et la diffusion réalisent un joint étanche aux gaz autour des jonctions du revêtement. Ce joint étanche aux gaz permet l'établissement d'une pression différentielle entre les surfaces externe et interne du revête- ment pendant le cycle de pression isostatique à chaud (PIC) sub- séquent. Ensuite, le substrat à revêtement lié par diffusion est soumis à un cycle PIC, généralement à des températures présélec- tionnees (jusqu'à 1 232aC) et sous des pressions choisies d'avance pouvant atteindre 2068 bars pendant une durée d'appli- cation d'environ 0,5 à 16 heures, de telle manière qu'il n'y ait pas de dégradation importante des propriétés mécaniques du substrat après le traitement, mais suffisamment pour provoquer la déformation du revêtement autour du substrat et sa totale adhérence sur lui. D'ordinaire, le cycle PIC est effectué à une température de 9820C-12320C environ. La présente invention est caractérisée par une maîtrise précise de la phase liquide, l'élimination de phases eutectiques à bas point de fusion qui sont caractérisées par leur fragilité à basse température et par la décomposition ou la dissolution des oxydes et autres inclusions au point de liaison revêtement- substrat. La maîtrise de la phase liquide est obtenue par la dé- termination de la quantité de bore déposé sur le revêtement et/ou le substrat. La détermination de la quantité de bore commande la quantité de phase liquide présente lors des processus chimiques spécifiques de phase entrant dans le revêtement à liaison par diffusion. On utilise assez de bore pour créer suffisamment de liquide en vue de constituer un joint étanche aux gaz efficace entre le revêtement et le substrat mais pas plus que nécessaire car des quantités trop importantes de bore pourraient être nui- sibles pour le substrat et les propriétés du revêtement. En général, le bore est utilisé en quantités suffisantes pour obtenir une phase liquide nominale d'environ 0,005 mm à 0,1 mm d'épaisseur et, de préférence, entre 0,015 mm et 0,05 mm d'é- paisseur. La quantité de bore nécessaire dépend de la composi- tion chimique du matériau particulier boruré. Par exemple, la quantité de bore choisie doit être suffisante pour former un joint étanche liquide entre les jonctions des revêtements tout en réduisant au minimum le temps et la température nécessaires à l'élimination par diffusion des phases riches en bore. L'élimination des phases eutectiques à bas point de fusion est réalisée par l'utilisation de bore comme seul pro- duit abaisseur du point de fusion et par les cycles temps- température et pression qui diffusent le bore dans le revête- ment et le substrat. Comme indiqué plus haut, l'utilisation exclusive de bore rend possible la solidification isotherme de la phase liquide pendant le traitement thermique de diffusion et le cycle PIC étant donné que le taux de diffusion du bore est extrêmement rapide du fait de sa faible dimension atomique par comparaison aux autres produits abaisseurs du point de fu- sion. En général, le traitement thermique de diffusion utilise des températures de la plage 10380C-12600C, de préférence au- tour de 1121aC-1176aC, pendant une durée d'environ 0,05 à 20 heures, de préférence autour de 0,1 à 4 heures. La décomposition des oxydes et autres inclusions à l'interface revêtementsubstrat est réalisée par la présence de la phase liquide contenant du bore sur toute la région de l'in- terface revêtement-substrat. Dans d'autres processus de revête- ment, il n'y a pas de phase liquide couvrant la totalité de cette région. On pense que la présence de la phase liquide à l'interface décompose les inclusions qui peuvent être présentes soit sur la surface du revêtement soit sur celle du substrat par fusion du métal dans l'environnement immédiat des inclusions. De plus, le film liquide empêche l'oxydation des surfaces du fait du recouvrement du substrat par ce film dans les éléments à faible stabilité des oxydes. Pour mieux illustrer la présente invention, on décrit ci-après des exemples de la méthode et des produits qui en font l'objet. On constatera que dans la spécification et les reven- dications, toutes les parties et pourcentages sont donnés en poids et toutes les températures en degrés Celsius sauf indi- cation contraire. EXEMPLE 1 Une feuille de matériau de revêtement IN-671 (50% de nickel, 50% de chrome) de 0,254 mm + 0,025 mm est découpée aux dimensions approximatives requises pour le formage à froid sur une forme profilée d'aube de turbine de premier étage dis- ponible dans le commerce. La pièce en IN-671 pré-façonnée est alors formée à froid dans une série de matrices progressives jusqu'à ce qu'elle concorde étroitement avec l'enveloppe (en général 0,254 à 0,508 mm) de la forme profilée souhaitée. Le revêtement formé est alors soudé pour obtenir une forme profi- lée pouvant être glissée par dessus l'aube du commerce. Sur le revêtement soudé IN-671, on dépose une couche de 0,0007 à 0,0009 grammes/cm2 de bore diffusé du côté interne seulement. Après nettoyage aux ultrasons et dégraissage dans du fréon du revêtement à couche de bore et de l'aube, le revê- tement est assemblé sur l'aube de premier étage de turbine et soudé à cette aube par décharge de condensateur en des points très rapprochés. L'aube et son revêtement sont placés dans un four à vide sous une pression de 10-4 torr et chauffés à 11350C + 40C pendant dix minutes. Le cycle produit une zone liquide de 0,005 mm à 0,05 mm sur la surface du revêtement à couche de bore et scelle le revêtement à l'aube. Après refroidissement du four, l'aube est enlevée et inspectée visuellement pour déceler toute discontinuité autour des joints du revêtement sur l'aube. La pièce est ensuite ins- pectée sous une pression de 20,68 bars dans un récipient sous pression d'hélium; celui-ci est rapidement décomprimé et la pièce enlevée du récipient sous pression pour être immergée dans le méthanol. L'absence de bulles indique un joint étanche entre le revêtement et l'aube. L'aube est alors placée dans un récipient à pression isostatique à chaud, chauffé à 10930C sous pression d'argon de ,55 kgf/mm2, et maintenu dans ces conditions pendant 1 à 3 heures. Le cycle PIC a pour effet d'obturer toute porosité rémanente entre le revêtement et l'aube et d'achever la diffu- sion du bore en l'éliminant de l'interface revêtement-aube ce qui augmente la température de fusion de la région de l'inter- face. L'aube est ensuite sortie de l'autoclave et inspectée aux ultrasons pour déceler tout défaut dans la liaison revête- ment-aube. Enfin, l'aube avec revêtement subit un vieillissement pendant 24 heures à 843,330C afin d'élaborer les propriétés mécaniques du substrat en alliage spécial; elle est aussi légè- rement traitée sur une machine à-courroie de ponçage pour éba- vurer la soudure du revêtement et polir les aspérités du revê- tement en place. EXEMPLE 2 Une feuille de matériau de revêtement S-57 (25% Cr, 3% Al, 5% Ta, 10% Ni, 0,2% Y, le reste en Co) de 0,762 mm + 0,050 mm d'épaisseur est découpée aux dimensions approximativres requises pour le formage à froid sur un diffuseur à aubage sim- ple de premier étage du commerce. Trois parties sont nécessai- res: une pour la section profilée et une pour chacune des deux parois d'extrémité du diffuseur. Les trois parties pré-façonnées sont ensuite formées à froid sur une série de matrices progres- sives jusqu'à ce qu'elles concordent étroitement avec l'enve- loppe de la section profilée et les formes des parois d'extré- mité souhaitées. On laisse assez de matériau sur chaque partie de manière à pouvoir réaliser un joint à recouvrement entre les parties de revêtement de la section profilée des parois d'extré- mité. Les parties de revêtement formées sont alors recouver- tes d'une couche d'environ 0,0007 à 0,0009 grammes/cm2 de bore diffusé sur la face interne seulement. Après nettoyage aux ultrasons et dégraissage dans du fréon des pièces de revêtement à couche de bore et du diffuseur, les pièces de revêtement sont assemblées et soudées par décharge de condensateur en des points très rapprochés sur le diffuseur et l'une à l'autre. Le diffuseur et le revêtement sont ensuite placés dans un four à vide pour traitement thermique sous vide de 10-4 torr, à la température de 11490C + 3,890C, pendant une heure. Le cycle produit une zone liquide de 0,005 mm à 0,05 mm sur la surface du revêtement à couche de bore qui scelle les parties de revê- tement ensemble et sur le diffuseur. Le diffuseur est inspecté visuellement pour déceler toute discontinuité autour de tous les joints du revêtement puis par immersion suivant le processus décrit dans l'exemple 1. Le diffuseur est ensuite soumis à un cycle PIC à la tem- pérature de 11210C, sous argon à la pression de 10,55 kgf/mM2, pendant 1 à 3 heures. REVENDICATIONS 1. Méthode d'application d'un revêtement sur un subs- trat, caractérisée en ce qu'elle comprend le dépôt d'une cou- che de bore sur au moins l'une des surfaces de portée du revêtement et du substrat, la mise en place du revêtement sur le substrat, et l'exposition de l'assemblage résultant à un cycle temporel et thermique suffisant pour provoquer la forma- tion d'une zone liquide entre les surfaces de portée du revê- tement et du substrat. 2. Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que la quantité de bore déposé est suffisante pour créer une zone liquide nominale d'environ 0,0046 à 0,0936 mm d'épaisseur. 3. Méthode selon la revendication 2, caractérisée en ce que le bore est le seul produit abaisseur du point de fusion pour les surfaces du revêtement et du substrat en question. 4. Méthode selon la revendication 3, caractérisée en ce que toute la région de l'interface revêtement-substrat est recouverte d'un dépôt à l'assemblage. 5. Méthode selon la revendication 4, caractérisée en ce que le temps du cycle temporel et thermique est d'environ 0,05 à 20 heures et la température de ce cycle temporel et thermique se situe autour de 10370C-12600C. 6. Méthode selon la revendication 5, caractérisée en ce que le temps est d'environ 0,1 à 4 heures et la température autour de 11210C-11760C. 7. Méthode selon les revendications 1 ou 6, caractéri- sée en ce que l'assemblage, postérieurement au cycle en ques- tion, est soumis à une pression isostatique à chaud. 8. Méthode selon la revendication 7, caractérisée en ce que le revêtement et le substrat sont chacun en alliage spécial. 9. Méthode selon la revendication 8, caractérisée en ce que le revêtement est en alliage de nickel-chrome.