Brevet FR2507729A1 — publié le 19821217

Joint susceptible d'être usé par abrasion et son procédé de réalisation. L'invention concerne un joint susceptible d'être usé par abrasion à disposer en contact avec une zone de rotor de machine tournante pour obtenir une étanchéité relative On place notamment de tels joints autour des aubages mobiles d'étages de rotor de turbomachines axiales afin d'éliminer les fuites d'air ou de gaz qui peuvent affecter le rende- ment de ces étages. Le joint de l'invention est du genre constitué par une dispersion de microbilles creuses dans un liant assurant la cohésion des microbilles entre elles et leur liaison avec un support métallique (qui est par exemple un anneau de la machine) L'invention concerne aussi le procédé de réalisation de ce joint et le mélange pulvérulent utilisé pour la mise en oeuvre de ce procédé. Le brevet français 1 565 344 décrit un joint susceptible d'être usé par abrasion du genre précité dans lequel les microbilles creuses sont en un alliage d'aluminium avec au moins un métal du groupe du fer, du nickel et du cobalt tandis que le liant est avantageusement une brasure conte- nant au moins un métal du groupe constitué par le cuivre, le nickel et l'argent Si l'on fait abstraction du procédé de préparation des microbilles, le joint est par exemple réalisé en déposant un mélange de microbilles et d'une poudre d'alliage du liant sur le support (qui peut com- prendre une armature en nids d'abeilles dont les alvéoles sont remplis par le mélange) et en chauffant l'ensemble à une température convenable. On constate que la nécessité d'utiliser pour les microbilles un matériau que la brasure puisse mouiller et celle d'uti- liser une brasure sensiblement plus fusible que les microbilles et que le support limitent étroitement la gamme des alliages utilisables et par conséquent les possibilités d'emploi du joint; que ces contraintes dans le choix des matériaux inter- disent de soumettre le support, après application du joint, à des traitements thermiques (par exemple de recuit ou de détensionnement) tels qu'ils risqueraient de provoquer la fusion de la brasure; que, cependant, la fabrication du joint impose le chauf- fage du support et son maintien à des températures pré- cises dans une atmosphère de composition contrôlée; le brevet précité indique en effet que les microbilles ne supportent pas la projection à la torche (flamme) et que ce procédé ne convient pas pour la réalisation du joint. L'invention permet par contre de réaliser des joints du genre précité qui présentent les avantages suivants: les matériaux des microbilles creuses et du liant peuvent être choisis dans une gamme de compositions étendue et variée, de telle sorte que les caractéris- tiques du joint peuvent être facilement adaptées aux conditions de service imposées, plus précisément, le liant peut avoir une composition compatible avec celle du support (ils peuvent être par exemple tous deux en alliages à base de fer et/ou de nickel, et/ou de cobalt, avec ou sans chrome) et dans ces conditions des traitements thermiques divers peuvent être appliqués au support sans que le liant en souffre, enfin la fabrication dudit joint est aisée et rapide. L'invention repose sur la constatation que l'on dispose maintenant dans le commerce de microbilles creuses en ma- tériaux réfractaires capables de subir sans déformation ni fragmentation notables les contraintes mécaniques engen- drées par une projection à la torche (chalumeau à plasma ou pistolet oxy-acétylénique). Le joint susceptible d'être usé par abrasion de l'inven- tion, constitué ainsi qu'on l'a déjà indiqué par une dis- persion de microbilles creuses dans un liant métallique solidaire d'un support métallique, est essentiellement caractérisé en ce que les microbilles creuses sont en un matériau inorganique réfractaire dont la température de début de fusion est sensiblement plus élevée que les tem- pératures de début de fusion du matériau du support et du matériau du liant On entend ici par liant métallique un liant en alliage métallique ou en composé intermétal- lique. Avantageusement, le matériau du liant peut comporter les mêmes composants de base que l'alliage constituant le sup- port. Le procédé de l'invention pour la réalisation d'un joint susceptible d'être usé par abrasion conforme à l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend les phases essentiel- les suivantes: préparation d'un mélange homogène en proportions convenables d'une poudre constituée par les microbilles creuses et d'une poudre de grains métalliques ayant la composition désirée pour le liant, projection à la torche dudit mélange sur le support, dans des conditions opératoires telles que la liaison des grains métalliques entre eux, avec les microbilles et avec le support est réalisée sans déformation ou fragmentation notables des-microbilles creuses. On entend ici par microbilles creuses des sphérules creuses dont le diamètre ne dépasse pas 200 microns. D'autres dispositions de l'invention et les avantages qui en résultent apparaîtront dans la description qui suit d'exemples de réalisation d'un joint susceptible d'être usé par abrasion conforme à l'invention, en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est un schéma succint d'un appareillage de fabrication du joint susceptible d'être usé par abrasion de l'invention, la figure 2 est une section agrandie du joint réalisé. La figure 1 représente en fait une installation de projec- tion de poudre par plasma du genre connu Seuls les élé- ments essentiels sont représentés Des flèches empennées montrent le sens de circulation de la poudre à projeter et des flèches non empennées montrent le sens de circulation du ou des gaz La figure 1 ne montre pas, par exemple, les organes de commande automatique, les vibrateurs, etc qui peuvent équiper un tel appareillage. Le dispositif d'alimentation 10 comprend un réservoir de poudre 11 qui contient le mélange 12 de la poudre de microbilles et de la poudre de grains d'al- liage de la matrice et dont le débit est réglable au moyen d'une vanne 13, un réservoir de gaz de fluidisation 14 (ce gaz étant par exemple de l'argon) dont le débit est réglable au moyen d'une vanne 15, une chambre de fluidisation 16 qui délivre par une tubu- lure 17 une suspension du mélange pulvérulent dans le gaz. La torche à plasma 20 comprend une tubulure 21 d'amenée de gaz de projection (par exemple de l'argon), deux électrodes cylindriques concentriques 22 et 23 qui sont portées à une différence de potentiel élevée au moyen de conducteurs 24 et 25 connectés à une source de haute tension continue non représentée et qui délimitent une veine annulaire 26 dans laquelle se forme le plas- ma, enfin une buse de projection 27 alimentée en plasma par la veine 26 et en mélange fluidisé par la tubulure 17. Le support 31 du joint à former est fixé à une pièce de. maintien 28 qui symbolise les éléments de fixation et d'entraînement, tels que platines, rouleaux, etc qui permettent d'imprimer au support 31, en coopération avec des moyens de commande associés à la torche 20 et non représentés, tous les mouvements relatifs de translation ou de rotation nécessités par l'exécution du joint. On remarquera que l'installation de la figure 1 peut être très facilement automatisée En outre, si la nature des matériaux du joint le permet, la torche à plasma 20 peut être remplacée par tout autre moyen de projection à chaud tel qu'un pistolet oxy-acétylénique. La figure 2 illustre la structure du joint obtenu La matrice 33 constituée par le liant adhère intimement au support métallique 31 et fixe les microbilles creuses 32. Les dimensions de celles-ci ont été très exagérées par rapport à l'épaisseur du joint lui-même fortement agran- di. On donne maintenant quelques indications sur les caracté- ristiques de la poudre destinée à former le liant et sur les caractéristiques des microbilles. Il est avantageux mais non impératif d'utiliser si pos- sible une poudre de liant de composition voisine de celle du matériau du support de joint (anneau de machine par exemple) afin d'obtenir une matrice de liant en liaison intime avec ce support et dotée d'un même coefficient de dilatation thermique On évite ainsi les contraintes dif- férentielles et les déformations différentielles d'origine thermique C'est ainsi que, dans un turboréacteur, le matériau métallique de la poudre de liant peut-être, en allant de'l'étage BP du compresseur à l'étage HP de la turbine: de l'aluminium pur ou un alliage d'aluminium, puis un alliage nickel-chrome, nickel-chrome-aluminium ou nickel- aluminium, puis un alliage cobalt-chrome-aluminium-yttrium ou nickelchrome-aluminium-yttrium, enfin, une céramique métallique du genre du zirconate de magnésium, ou tout mélange de poudre métallo-céramique. Quant aux microbilles creuses, l'essentiel est qu'elles puissent résister aux contraintes mécaniques et thermiques causées par la projection et qu'elles soient chimiquement inertes vis-à-vis du liant et du gaz utilisé pour la pro- jection Le matériau qui les constitue peut être une céra- mique réfractaire telle que l'alumine, un silicate d'alu- minium, un résidu de coke, etc Elles doivent cependant être suffisamment fragiles pour être fragmentées par l'ac- tion des pièces tournantes en contact avec le joint sans détériorier lesdites pièces et sans s'échapper de la ma- trice Leur diamètre peut varier de 10 à 200 microns Il peut être d'autant plus grand que le joint est plus épais. Quant aux proportions du mélange mis en oeuvre dans l'ap- pareillage de projection, on peut indiquer que les meil- leurs résultats sont obtenus en général lorsque la propor- tion en volume des microbilles dans ce mélange est de 50 à %. En fait, les phénomènes mis en jeu dans l'opération de projection sont extrêmement complexes et les paramètres opératoires (température du support, température et débit de projection) ne peuvent être réglés qu'expérimentale- ment Ces paramètres dépendent en effet non seulement des dimensions des microbilles creuses, de leur température de fusion et de la température de fusion du liant, mais aussi de caractéristiques calorifiques de ces constituants, telles que leurs capacités calorifiques, leurs coefficient de conductibilité thermique et de diffusivité, ou leur ré- activité chimique. 9 i REVENDICATIONS 1 Joint susceptible d'être usé par abrasion du genre constitué par une dispersion de microbilles creuses dans un liant solidaire d'un support, caractérisé en ce que les microbilles creuses sont en un matériau inorganique réfra- ctaire et en ce que le matériau du liant est un matériau métallique sensiblement plus fusible que le matériau des microbilles creuses. 2 Joint susceptible d'être usé par abrasion selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diamètre des microbilles creuses est compris entre 10 et 200 microns. 3 Joint susceptible d'être usé par abrasion selon la re- vendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau des microbilles creuses est choisi dans le groupe constitué par l'alumine, le silicate d'aluminium et le carbone. 4 Joint susceptible d'être usé par abrasion selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le matériau du liant est un alliage à base de nickel ou de cobalt. Joint susceptible d'être usé par abrasion selon la re- vendication 4, caractérisé en ce que le matériau du liant contient en outre du chrome. 6 Joint susceptible d'être usé par abrasion selon la re- vendication 4 ou la revendication 5, caractérisé en ce que le matériau du liant contient en outre de l'aluminium. 7 Joint susceptible d'être usé par abrasion selon la re- vendication 6, caractérisé en ce que le matériau du liant -2507729 contient en outre de l'yttrium. 8 Joint susceptible d'être usé par abrasion selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le matériau du liant est une céramique. 9 Joint susceptible d'être usé par abrasion selon la revendication 8, caractérisé en ce que le matériau du liant est le zirconate de magnésium. Joint susceptible-d'être usé par abrasion selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le matériau du liant est un alliage métallique ayant les mêmes composants de base que l'alliage du support. 11 Procédé pour la réalisation d'un joint susceptible d'être usé par abrasion selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend les phases principales suivantes élaboration d'un mélange homogène d'une poudre de micro- billes creuses faites d'un matériau inorganique réfra- ctaire et d'une poudre de grains faite d'un matériau mé- tallique sensiblement plus fusible que le matériau des microbilles, projection à la torche du mélange sur le support dans des conditions opératoires telles que la liaison des grains métalliques entre eux, avec les microbilles creu- ses et avec le support est réalisée sans déformation ou fragmentation notables des microbilles creuses. 12 Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que la projection est réalisée au moyen d'une torche à plasma. il 13 Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que la projection est réalisée au moyen d'un pistolet oxy- acétylénique. 14 Mélange pulvérulent pour la réalisation d'un joint susceptible d'être usé par abrasion conforme à l'une quel- conque des revendications 1 à 10, au moyen d'un procédé conforme à l'une quelconque des revendications 11 à 13, caractérisé en ce qu'il est constitué par un mélange d'une poudre de microbilles creuses faites d'un matériau inor- ganique réfractaire et d'une poudre de grains faits d'un matériau métallique sensiblement plus fusible que le maté- riau des microbilles. Mélange pulvérulent selon la revendication 14, carac- térisé en ce que le diamètre des microbilles est compris entre 10 et 200 microns. 16 Mélange pulvérulent selon la revendication 14 ou la revendication 15, caractérisé en ce que les microbilles y sont présentes dans une proportion volumique de 50 à 90 %. 17 Turbomachine caractérisée en ce que au moins l'un de ses étages est équipé d'un joint susceptible d'être usé par-abrasion conforme à l'une quelconque des revendictions 3 O 10.