Brevet FR2487333A1 — publié le 19820129

La présente invention concerne les enduits formant bar- rière thermique ou, en d'autres termes, les enduits ap- propriés à former, sur les éléments constitutifs de ma- chines, une barrière protectrice thermiquement isolante. Dans la technique des moteurs à turbine à gaz, la re- cherche de l'augmentation du travail utile et du ren- dement a amené une augmentation régulière des tempéra- tures auxquelles les éléments constitutifs de ces mo- teurs doivent fonctionner. Par voie de conséquence, cette augmentation de température a conduit à l'appa- rition de systèmes de plus en plus compliqués et co.- teux de refroidissement de ces éléments constitutifs, en même temps qu'à l'emploi, pour leur fabrication, de matériaux chers et résistants à la chaleur. La présente invention a pour objet de réaliser une composition enductrice, thermiquement isolante et ap- propriée à protéger des éléments constitutifs de ma- chine contre les effets des températures élevées. En munissant d'un enduit thermiquement isolant ces éléments constitutifs, on abaisse leur température de travail, ce qui permet l'emploi de systèmes de re- froidissement moins compliqués, ou même leur suppres- sion, et de matériaux moins coûteux pour leur fabrica- tion. Selon la présente invention, une composition enductrice, appropriée à servir d'enduit formant barrière thermique, comprend un mélange contenant des microsphères creuses en verre finement divisées, des particules finement di- visées d'une fritte céramique, et des particules fine- ment divisées d'une charge en matière réfractaire, tous ces composants se trouvant en suspension dans un liant. La nature du liant dépend des températures auxquelles l'enduit sera appelé à être exposé. Par exemple, pour les applications à de hautes températures, c'est à dire jusqu'à environ 60020C, l'enduit approprié pourra être une solution de silicate de sodium ou de potassium, ou bien une solution d'orthophosphate d'aluminium. La solution préférée sera une solution de silicate de potassium contenant 34 'i de matières solides, en poids du total, et ayant un rapport de poids moyen SiO /K O 2 2 égal à 2. Mais il sera possible d'utiliser d'autres solutions de silicate de potassium dont les rapports de poids pourront aller jusqu'à 2,2 et dont la propor- tion de matières solides, en poids du total, sera com- prise entre 27 et 40 %. Dans le cas d'emploi d'une so- lution de silicate de potassium, il sera possible d'u- tiliser des solutions dont les rapports de poids moyen SiO / Na 0 seront compris entre 2,0 et 3,4 2 2 De préférence, le rapport: charge réfractaire / micro- sphères creuses en verre / fritte céramique sera de /33/27, le tout en parties en poids. Mais l'un ou l'autre de ces composants pourra être réduit d'une quantité allant jusqu'à 50 % en poids, les poids de chacun des autres constituants étant augmenté, en poids, de la moitié de cette réduction en poids o Les auteurs de la présente invention ont découvert que le rapport optimal du poids total combiné de la charge réfractaire, des microsphères creuses en verre, et de la fritte céramique au poids du liant était 1/1. Mais ce rapport pourra être réduit à 1/0,75 ou porté à1/1,1. Si ce rapport se situe en dehors de cette gamme, on a constaté que la composition, appliquée à un substrat, avait tendance à s'écailler en passant d'une tempéra- ture élevée à une température basse. La fritte céramique est ajoutée à la composition en- ductrice pour conférer un certain degré de ductilité à cette composition lorsqu'elle est exposée à des tem- pératures élevées. On a constaté que cette ductilité réduisait le risque de craquelure de la composition enductrice du fait des gradients thermiques à l'inté- rieur de la composition. Lorsque la composition en- ductrice doit travailler à des températures allant jusqu'à 6002C, on a constaté qu'un verre de titanate et de silicate alcalin, dont la température de ramol- lissement est comprise entre 420 et 4482C, constituait une fritte céramique convenable La composition enductrice selon la présente invention est appliquée aux éléments constitutifs à protéger par les procédés usuels de peinture au pistolet pulvérisa- teur. La charge réfractaire contenue dans cette com- position a pour but d'améliorer son aptitude à la né- bulisation. Comme charges réfractaires appropriées, on peut citer le mica micro-fragmenté, l'alumine fine- ment divisée et la mullite finement divisée. Pour étudier les propriétés de conductibilité thermique des compositions enductrices selon la présente inven- tion, une éprouvette en acier à 12% de chrome a été enduite, au pistolet nébuliseur, d'une composition en- ductrice selon l'invention contenant les composants ci-après, en parties en poids: Mica micro-fragmenté 40 parties Microsphères creuses en verre 33 - Fritte céramique 27 - Liant 100 - Eau quantité nécessaire à l'obtention d'une consistance nébu- lisable. Les dimensions des particules des microsphères creuses en verre étaient comprises entre 35 et 75 i; ces mi- crosphères étaient constituées par de l'alumino-silicate de calcium. Ces microsphères sont distribuées par la Société Fillite Ltd. sons le nom ae "Fillite". La fritte céramique était faite d'un verre de titanate et silicate alcalin finement divisé dont les constitu- ants principaux étaient: Si02, TiO2, Na20 et K20 et les constituants secondaires: B203, P205, SeO, ZnO, CdO, Li20 et A1203. Son point de ramollissement était compris entre 420 et 4402C et les dimensions de ses particules inférieures à 200 l. Le liant était une solution aqueuse de silicate de potassium contenant 34'% de matières solides, en poids du total, et présentant un rapport moyen de poids Si02 / K20 = 2 Plusieurs couches de cette composition enductrice ont été déposées, par projection au pistolet nébuliseur, sur l'éprouvette, celle-ci étant chauffée à 15090 pendant une heure entre chacune des applications Ce traitement thermique avait pour but d'éliminer l'eau ajoutée à la composition enductrice. On a déposé un nombre suffisant de couches pour former un enduit d'u- ne épaisseur de 0,5 mm. Puis l'enduit a été chauffé à 5602C pendant une heure pour éliminer l'eau combinée à l'enduit et pour fritter la matière céramique. La conductibilité thermique de l'enduit a alors été déterminée par les moyens usuels et s'est révélée être de 0,4 x 10-2 watts/cm/ E. L'expérience a démontré que, si la charge réfractaire est du mica microfragmenté, on ne pouvait réaliser qu'un enduit dont l'épaisseur ne dépasse pas 0,635 mm. Au dessus d*e cette épaisseur, l'enduit a tendance à s'écailler aux températures élevées. On pense que ce- ci est dû, au moins en partie, à la forme physique des particules de mica. C'est pourquoi l'on préfère, dans certains cas d'application, remplacer le mica micro-fragmenté par des particules finement divisées d'alumine. On a également réalisé une composition enductrice sem- blable à la précédente mais contenant 40 parties en poids de particules d'alumine de module > à 18 Afnor au lieu de mica micro-fragmenté. Cette composition a été appliquée à une éprouvette d'acier à 12 % de chrome dans les mêmes conditions que celles décrites dans l'exemple précédent jusqu'à formation d'un enduit de 0,5 mm d'épaisseur. Cette éprouvette a ensuite été chauffée à 5609C pendant une heure, comme précédemment, pouce éliminer l'eau combinée à l'enduit et pour fritter la matière céramique. Les essais de conductibilité thermique ont:'évélé que cet enduit avait, lui aussi, une conductibilité thermique de 0,4 x 10-2 W/cm/K. On a constaté que les compositions enductrices selon la présente invention, contenant de l'alumine finement divisée au lieu de mica microfragmenté pouvaient être déposées, par projection au pistolet nébuliseur, jus- qu'à former une épaisseur de 0,9 mm sans s'écailler par la suite. Les compositions enductrices selon l'invention sont particulièrement aptes à former des enduits constituant une barrière thermique dans les moteurs à turbine à gaz mais leur emploi n'est pas limité à ces moteurs C'est ainsi que ces enduits pourront servir constituer des barrières thermiques sur les "disques" ou "roues de turbine" et sur les aubes fixes ou mobiles desdits moteurs. Mais il est évident qu'il existe de nombreu- ses autres applications dans lesquelles les composi- tions enductrices selon la présente invention pourraient constituer une barrière thermique efficace. REVENDICATIONS 1. Composition enductrice, appropriée à servir d'enduit formant barrière thermique, caractérisée en ce qu'el- le comprend un mélange contenant des microsphères creuses en verre finement divisées, des particules finement divisées d'une fritte céramique, et des particules finement divisées d'une charge en matière réfractaire, tous ces composants se trouvant en sus- pension dans un liant. 2. Composition enductrice selon la Revendication 1, caractérisée en ce que le rapport: charge réfrac- taire / microsphères creuses en verre / fritte cé- ramique est 40/33/27, le tout en parties en poids. 3. Composition enductrice selon la Revendication 2, caractérisée en ce que l'un ou l'autre desdits constituants est réduit d'une quantité allant jus- qu'à 50 % en poids, les poids de chacun des autres constituants étant, chacun, augmentés, en poids, de la moitié de cette réduction en poids dudit constituant. 4. Composition enductrice selon une quelconque des Revendications 1, 2 ou 3, caractérisée en ce que le rapport du poids total combiné de la charge réfractaire, des microsphères creuses en verre, et de la fritte céramique au poids du liant est com- pris dans une gamme de 1/0,75 à 1/1,1 À 248 7333 5. Composition enductrice selon une queloonque des Revendications 1, 2, 3 ou 4, caractérisée en ce que la charge réfractaire est du mica micro-fragmen- té, de l'alumine finement fragmentée, ou de la mul- lite finement fragmentée 6. Composition enductrice selon une quelconque des Revendications 1, 2, 3, 4 ou 5, caractérisée en ce que ladite fritte céramique est un verre de titanate et silicate alcalin. 7. Composition enductrice selon une quelconque des Revendications 1, 2, 3, 4, 5 ou 6, caractérisée en ce que lesdites microsphères creuses en verre sont faites d'alumino-silicate de calcium. 8. Composition enductrice selon une quelconque des Revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7, caractérisée en ce que ledit liant est du silicate de sodium, du silicate de potassium ou de l'orthophosphate d'aluminium.