Brevet FR2511043A1 — publié le 19830211

La présente invention concerne des revêtements améliorés du type Ni Cr Al Y ou Ni Co Cr Al Y qui sont particu- lièrement utiles dans le cas o le revêtement est appli- qué à un substrat de superalliage ne contenant pas de haf- nium Le principe de l'invention est d'augmenter la teneur en yttrium dans le revêtement à une valeur dépassant celle précédemment utilisée. Les revêtements du type Ni Cr Al Y et Ni Co Cr Al Y tiennent leurs propriétés protectrices de leur capacité à former (et à reformer de façon répétitive) une mince couche d'alumine sur la surface externe C'est cette couche d'alu- mine qui résiste à une attaque à l'oxydation et à la corrosion à chaud Des éléments réagissant avec l'oxygène tels que l'yttrium sont ajoutés aux revêtements pour favori- ser l'adhérence de l'alumine et pour retarder sa tendance à s'effriter De l'hafnium peut également être ajouté pour améliorer l'adhérence de l'alumine. L'état de la technique n'anticipe pas la présente invention, apparemment à cause de la succession de dévelop- pements dans le domaine des superalliages et des revêtements. Au commencement, les superalliages étaient utilisés dans la forme ainsi nomméne équiaxe et étaient utilisés soit sans revêtement, soit avec des revêtements simples tels que les revêtements d'aluminiure Comme les exigences de performances augmentaient, il y eu des perfectionnements parallèles dans le domaine des superalliages et des revê- tements; dans le domaine des superalliages,des améliorat Dns substantielles étaient obtenues par le développement de la solidification orientée o l'alliage est solidifié avec des grains allongés qui ont une orientation cristallographi- que Ceci est décrit, par exemple, dans le brevet US No. 3 260 505 Dans le domaine des revêtements, environ au même moment, on a développé les revêtements de surface du type M Cr Al Y De tels revêtements sont sensiblement plus protec- teurs que les revêtements d'aluminiure précédemment utilisés. Les brevets US No 3 542 530, 3 676 085, 3 754 903 et 3 928 026 concernent des revêtements de surface du type M Cr AY. Malgré les promesses de la solidification orientée, des problèmes significatifs ont été rencontrés dans le -2- domaine de la ductilité transversale On a trouvé que les limites de grains séparant les grains allongés orientés étaient notablement faibles dans la direction transversale à l'axe d'allongement Ce problème a été surmonté par l'addition de petites quantités d'hafnium à l'alliage ( 0,5 2 % hafnium), comme il est décrit dans le brevet US NO 3 711 337. Grâce au développement des articles à solidification orientée modifiés par addition de hafnium et des revête- ments de surface du type M Cr Al Y dans le même laboratoire environ en même temps, il a été naturel de les utiliser en combinaison l'un avec l'autre Il est également naturel que dans des applications très exigentes, en particulier pour les ailettes de turbine du premier étage du moteur, on utilise à la fois des substrats obtenus par solidification orientée modifiés par l'addition de hafnium et les revêtements de surface M Cr Al Y. Les propriétés des revêtements de M Cr Al Y ont écté améliorées au maximum en ce qui concerne la composition pour les substrats à grains en colonne contenant du hafnium obtenu;par solidification orientée On a trouvé que l'yttbam en quantités supérieures à environ 0,5 ou 0,7 pourcents en poids produisait des phases indésirables à faible point de fusion à l'interface revêtement -substrat, apparemment des phases à base d'yttrium et de hafnium. Un progrès dépassant les articles à grains en colonne est l'utilisation de techniques similaires mais plus avan- cées pour produire des articles en monocristal comme il est décrit dans le brevet US No 3 494 709 De tels articles enxionocristal ne comportent pas de limites de grains inter- nes et donc ne souffrent pas du problème de la ductilité transversale rencontré dans le cas des articles à grains en colonne Par conséquent, il n'y a pas nécessité d'ajou- ter du hafnium auxalliagen pour améliorer la ductilité et en fait on a trouvé souhaitable d'éliminer le hafnium de façon à améliorer les possibilités de traitement thermi- que des articles en superalliage à structure monocristalline. Ce sujet est discuté dans le brevet US No 4 116 723. La présente invention provient de la compréhension -3- tardive que le hafnium dans la matière du substrat jouait un rôle significatif pour augmenter les perfor- mances du revêtement aussi bien/ei améliorant la ductilité transversale et que les revêtements de Ni Cr Al Y et Ni Co Cr Al Y précédemment développés pouvaient être significativement améliorés. Les compositions de revêtement de la présente invention ont le domaine large de compositions suivant: 10-35 % chrome, 8-20 % aluminium, 0-30 % cobalt, 1, 1-3,0 % yttrium, le complément étant essentiellement du nickel. Par l'utilisation de quantités d'yttrium supérieures à celles précédemment utilisées dans ce type de revê- tement, on obtient une résistance améliorée à l'oxydation. Les revêtements ont une utilité particulière sur des substrats qui ne contiennent pas d'additions intentionnel- les de hafnium. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront apparents à la lecture de la description des revendications et des dessins qui représentent un mode de réalisation de l'invention. La figure représente la durée de vie du revêtement en fonction de la quantité d'yttrium pour deux revête- ments différents Le principe fondamental de l'invention et la décou- verte que sous certaines circonstances,en augmentant la quantité d'yttrium dans un revêtement de Ni Co Cr Al Y par rapport à celle décrite dans la technique, on obtient un résultat bénéfique Le cas dans lequel ce revête- ment de Ni Co Cr Al Y à forte teneur en yttrium est parti- io culièrement bénéfique estcelui o le revêtement est appli- 1 Pas qué à des substrats ne comprenant/de hafnium Le tableau 1 donne les domaines de compositions pour les revêtements selon la présente invention. -4- TABLEAU I Domaine large de Domaine de compositions compositions préférées E en poids % en poids Nickel complément complément Cobalt 0-30 15-25 Chrome 1015-25 Aluminium 8-20 10-20 Yttrium 1,1-3,0 1,1-3,0 Ces compositions permettent d'obtenir une résistance à l'oxydation améliorée du revêtement et sont similaires à la composition de Ni Co Cr Al Y décrite dans le brevet US 3 928 026 à l'exception des quantités d'yttrium plus élevées Les compositions selon l'invention conviennent pour la protection d'articles en superalliages à base de nickel Il est connu dans la technique que sous certaines circonstances d'autres additions auzrevêtements de Ni Co Cr Al Y peuvent être bénéfiques Par exemple, dans le brevet US NO 4 034 1421 on suggère l'addition de silicium au revêtements de M Cr Al Y alors que dans le brevet US 3 918 139,on suggère l'addition de platine et de métaux nobles similaires aux revêtements de Ni Co Cr Al Y La présente invention peut être appliquée aixrevêtementsde Ni Co Cr Al Y modifiésdécritsdans ces publications Il est également envisagé que du tantale ( 0- 10 %)puisse être ajouté au revête- ment de M Cr Al Y à forte teneur en yttrium pour obtenir des propriétés améliorées sans nuire de façon significative à l'effet bénéfique fourni par la teneur en yttrium élevée selon la présente invention. Les compositions de revêtements précédemment décrites peuvent être appliquées à divers types de substrats en utilisant différentes techniques d'application Diverses considérations influencent le choix dessubstratset la technique de revêtement et différents avantages peuvent en résulter L'avantage le plus grand est obtenu lorsque les revêtements de Ni Co Cr Y à forte teneur en yttrium selon l'invention sont appliqués à des substrats qui ne contiennent pas d'additions intentionnelles de hafnium. De tels substrats peuvent être soit sous forme poly- cristalline coul&cde façon habituelle soit sous forme à grains en colonne obtenue par solidification orientée, soit encore sous forme de monocristal obtenu par solidi- fication orientée La forme à grains en colonne n'est pas vraisemblable parce que, jusqu'à présent, on a trouvé que le hafnium est nécessaire pour favoriser la ductilité transversale à la limite de grains dans les articles à structure a grains E colonne Néanmoins, si on avait un article à grains en colonne ne comportant pas de hafnium, le revêtement selon l'invention serait hautement protecteur pour celui-ci Des revêtements à forte teneur en yttrium protégeront les substrats ne comportant pas de hafnium indépendemment de la technique d'application du revêtement utilisée. La figure montre l'effet de la teneur en yttrium sur la durée de vie à l'oxydation de la matière de revête- ment de Ni Co Cr Al Y ainsi qu'une matière de revêtement de Ni Co Cr Al Y modifiéepar addition de silicium La compo- sition nominale en poids de la matière de Ni Co Cr Al Y était de 22 % cobalt, 18 % chrome, 12,5 % aluminium, quanti- tés variable-;d'yttrium et le complément est du nickel et la composition nominale en poids du Ni Co Cr Al Y modifié par addition de silicium était 22 % cobalt, 18 % chrome, 12,5 % aluminium, 1,5 % silicium, quantités variables d'yttrium et le complément est du nickel Tous les essais ont été mis en oeuvre sur un substrat enmonocristal ayant la composition nominale en poids de 8 % chrome, 5 % cobalt, 7 ' tungstène, 1,4 % titane, 12 % tantale, -5 % aluminium, complément essentiellement du nickel. Les revêtements ont été appliqués par procédé de dépôt physique de vapeur par bombardement électronique. Les essais ont été mis en oeuvre dans une installation de brûleur cyclique fonctionnant à une température maximum de 11490 C Les résultats de la durée de vie du revêtement ont été réajustés pour réfléter les différences d'épaisseurs desrevêtements. On constate que l'effet de l'augmentation de la teneur 6- en yttrium résulte en une augmentation significative de la durée de vie du revêtement Par exemple dans le cas de Ni Co Cr Al Y, l'augmentation de la teneur en yttrium depuis 1 % à 2 % augmente la durée de vie du revêtement depuis environ 825 heures à environ 1290 heures, soit une augmentation de plus de 50. Une autre classe de substrats à laquelle le revêtement selon l'invention peut être appliqué sont ces substrats qui contiennent du hafnium Si les revêtements selon l'in- vention sont appliqués à des substrats qui contiennent du hafnium, la formation de phase à faible point de fusion à l'interface revêtement substrat peut être un problème. Celui-ci peut être réduit au minimum si le revêtement est appliqué par le procédé de pulvérisation à l'arc plasma. Les revêtements déposés par pulvérisation à l'arc plasma contiennent invariablement une quantité suffisante d'oxy- gène pour oxyder le hafnium du substrat qui est près de l'interface revêtement-substrat Une fois que le hafnium est oxydé, il est stable et il ne formera pas de phases nuisibles à faible point de fusion Donc, le dépôt de revêtement selon l'invention par pulvérisation à l'arc plasma sur des substrats contenant du hafnium ne présente pas de problèmes de points de fusion. Lorsque les revêtements de M Cr Al Y sont appliqués par dépôt de vapeur sur des substrats contenant du hafnium, le Hafnium du substrat diffuse dans le revêtement et améliore ses performances Cependant,lorsque les revêtements de M Cr Al Y sont appliqués par pulvérisation à l'arc plasma sur des substrats contenant du hafnium, l'oxygène qui est présent sous forme d'oxyde d'yttrium et d'aluminium dans le revêtement empêche le hafnium de diffuser suffisamment jusqu'à la surface du revêtement pour améliorer ces perfor- mances Au lieu de ceci, le hafnium qui diffuse réduit les autres oxydes (oxyde d'aluminium et d'yttrium) et for- me des oxydes d'hafnium stableset par conséquent, il n'en ésulte aucune amélioration du revêtement. En utilisant le revêtement riche en yttrium selon l'in- vention, il est possible de compenser la perte due à 4 u "l'effet" du hafnium du substrat sur des revêtements pul- -7- vérisés à l'arc plasma La quantité accrue d'yttrium remplace le hafnium manquant en favorisant une bonne adhérence de la couche d'alumine protectrice du revête- ment Donc la durabilité du revêtement pulvérisé à l'arc plasma est augmentée même sur des substrats contenant du hafnium. Bien entendu diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux compositions de revé- tements qui viennent d'être décrites uniquement sous forme d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. -8 Revendications: 1 Composition de revêtement capable de fournir une protection supérieure aux substrats en superalliage caractérisée en ce qu'elle consiste essentiellement en -35 % Cr, 8-20 % Al, 1,1-30 % Y, 0-30 % Co, le complément étant du nickel. 2 Composition de revêtement selon la revendication 1, caractérisée en ce que le substrat en superalliage ne contient pas d'additions intentionnelles de 11 f. 3 Composition de revêtement caractérisée en ce que le superalliage contient des additions intentionnelles de Hfbtdjos que 0,1 à 2 %, la composition de revêtement étant appliquée par pulvérisation à l'arc plasma. 4 Composition de revêtement selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le sub- strat est un article ayant une structure monocristalline. Composition de revêtement selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le revê- tement consiste essentiellement en 15-25 % Co, 15-25 % Cr, -20 % Al, 1,1-3,0 % Y, le complément étant du nickel. 6 Utilisation d'une composition de revêtement selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 comme revêtement d'un élément de turbine à gaz présentant une résistance accrue à l'oxydation et consistant en un substrat de super- alliage à base de nickel.