Brevet FR2502043A1 — publié le 19820924

La présente invention concerne la fabrication de divers éléments profilés utilisés dans des turbines à gaz, en parti- culier des turbines à gaz fixes fonctionnant à des tempéra- tures élevées. En bref, et selon un concept général de la présente inven- tion, on applique un alliage de cuivre de conductivité thermique élevée tel que du cuivre durci par dispersion d'oxydes (Glid- den A1-60), en utilisant un procédé de pulvérisation par plasma d'arc à vitesse élevée/basse pression (désigné ci-après par pulvérisation par plasma HV/LP), à un ensemble comprenant un châssis structural, en alliage de cuivre ou en superalliage à base de nickel, ou en une combinaison des deux, et des tubes de refroidissement surjacents. L'alliage de cuivre est pulvé- risé par plasma à une épaisseur de revêtement suffisante pour couvrir complètement les tubes de refroidissement, et pour permettre d'usiner à nouveau l'alliage de cuivre pour créer une surface lisse ayant une épaisseur de 0,254 à 3,81mm ou plus. Comme la couche de cuivre appliquée par pulvérisation par plasma a une porosité continue, on peut facilement et avantageusement l'utiliser pour supporter une pression dif- férentielle pendant la liaison par compression isostatique à chaud (HIP) de la structure globale afin d'améliorer la liaison par diffusion à l'état solide entre les pièces composant la structure. Cependant que le procédé de pulvérisation par plasma HV/LP lui-même produit d'excellentes liaisons, le traitement thermique et la liaison ultérieurs est souhaitable pour encore améliorer l'intégrité de la structure globale. Après la pulvérisation par plasma, la liaison HIP, et l'usinage, la pièce composite est progétée à l'aide d'un alliage anti-corrosion, qui peut être appliqué par des techniques classiques. On a utilisé le procédé de pulvérisation par plasma d'arc pendant de nombreuses années pour appliquer des revêtements à une variété de substrats dans des buts comme de conférer une résistance à l'usure et une résistance à la corrosion. Cependant, le traitement classique de pulvérisation par plasma s'effectue habituellement dans l'air en utilisant des vitesses de particules d'environ 152m/s. Les revêtements ainsi appliqués se caractérisent par leur porosité (classiquement 5-25%), et une teneur élevée en-oxydes. De plus, on a utilisé la coulée par plasma à des épais- seurs beaucoup plus importantes pour fabriquer des pièces de géométrie complexe en métal réfractaire comme l'indique l'ar- ticle de Mash et Brown, "Structure and Properties of Plasma- Cast Materials (Structure et Propriétés des matériaux coulés par Plasma)", Metals Engineering Quarterly, Fevrier 1964, pages 18-26. Le procédé décrit par Mash et Brown comprend la coulée par plasma d'un matériau unique (qui peut au départ être sous forme d'un mélange en poudre) sur un mandrin qu'on enlève ensuite. Au contraire, dans le procédé de la présente invention, le matériau est déposé sur un substrat qui n'est pas sacrifié. On coule différents matériaux en couches pour former un diffuseur ou une aube composite avec des canaux internes de refroidissement par eau. Comme le décrit le brevet des Etats-Unis n0 3.839 618, on a récemment mis au point un procédé de pulvérisation par plasma d'arc à vitesse élevée/basse pression (HV/LP) qui surmonte nombre des limitations du procédé antérieur. En pulvérisant par plasma à des vitesses de particules de 609 à 914 m/s dans une atmosphère d'argon (ou un autre gaz inerte) sous faible pression (4000-8000 Pa), on peut déposer des revête- ments très dense (98-100%) presque sans oxydes. Bien que, comme on vient de l'indiquer, ce procédé de pulvérisation par plasma HV/LP soit connu, on pense que ce procédé HV/LP n'a pas été utilise jusqu'à présent pour déposer des couches relativement épaisses (supérieures à 2 mm) d'alliages à base de cuivre pour des applications telles celles décrites ici. En particulier, il existe de nombreuses différences dans l'application présente du procédé HV/LP comparée aux applica- tions précédentes des procédés de pulvérisation par plasma. Le matériau pulvérisé par plasma du présent procédé de fabri- cation est un alliage de cuivre de résistance élevée qui est utilisé pour réduire des gradients thermiques dans la pièce fabriquée (aube ou diffuseur). Par conséquent, la couche de cuivre doit être très épaisse pour fournir une réduction suffisante des gradients thermiques. Le matériau de cuivre pulvérisé par plasma se lie aux tubes de refroidissement (à base de fer, cobalt ou nickel) et à un longeron (à base de fer, cobalt ou nickel), qui n'ont pas nécessairement la même com- position. C'est une caractéristique importante que le matériau de cuivre conduise la chaleur de la surface du diffuseur ou de l'aube aux tubes de refroidissement par eau, et en outre, ait une masse volumique élevée et une faible teneur en oxydes/ nitrures pour maintenir une conductivité thermique élevée et fournir une résistance adéquate à la fatigue oligocyclique pour la vie de la pièce. La couche pulvérisée par plasma doit se lier à une surface de forme irrégulière, et doit avoir des liaisons propres aux tubes de refroidissement et au longeron Brièvement, et selon un aspect plus particulier de l'inven- tion, un procédé de fabrication d'une aube ou d'un diffuseur composite refroidi par eau pour une turbine à gaz consiste à fournir un châssis structural sous la forme d'un longeron appliquer un revêtement initial dense, non poreux d'alliage de cuivre de conductivité thermique élevée au châssis structural au moyen d'une pulvérisation par plasma d'arc à basse pression placer des tubes pour le réfrigérant le long de la surface du revêtement initial, puis appliquer un revêtement dense, non poreux, d'alliage de cuivre de conductivité thermique élevée au moyen d'une pulvérisation par plasma d'arc à basse pression, d'une épaisseur au moins suffisante pour couvrir les tubes de refroidissement et être en excès pour un usinage de finition. Le procédé de la présente invention comprend en outre une étape de liaison par compression isostatique à chaud (HIP) du châssis structural, au cours de laquelle les revêtements essentiellement non poreux de cuivre de conductivité thermique élevée maintiennent une pression différentielle. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement Figure 1, une vue isométrique d'un ensemble de diffuseur composite d'une turbine à gaz; Figure 2, une vue en coupe d'une aube de turbine à gaz et, Figure 3, une vue en coupe d'un diffuseur de turbine à gaz montrant une autre forme de longeron. En se référant aux figures, on y a représenté des struc- tures de diffuseur (figures 1 et 3) et d'aube (figure 2) selon la présente invention. Les structures des diffuseurs et des aubes sont essentiellement les mêmes tout au moins en ce qui concerne la présente invention. La figure 1 est une vue iso- métrique générale, cependantêque les figures 2 et 3 sont des vues en coupe. Sur la figure 2, un ensemble classique se compose d'un élément structural sous la forme d'un longeron 10, formé d'un superalliage à base de nickel ou de cobalt, tel que l'Inconel- 718 (19 Cr - 19 Fe - 0,4 AI - 0,9 Ti - 3,0 Mo - 5,0 Nb - 0,04 C- complément Ni). Sur ce longeron est appliqué par pulvérisation par plasma d'arc à basse pression un revêtement initial dense, non poreux 12 d'alliage de cuivre de conductivité thermique élevée. On a trouvé qu'un système de pulvérisation par plasma à haute vitessef/basse pression approprié était celui fabriqué par Electro-Plasma, Inc, Irvine, Californie. Ce système par- ticulier comprend un pistolet à plasma de O80 kw et fonctionne normalement à une pression de 4000 -8000 Pa. Ensuite, on place une série de tub-es de refroidissement 14 le long de la surface du rev4temenit initial 12, et on les y maintient au moyen d'un gabarit approprié, ou en les attachant près des bords. Les tubes de refroidissement 14 ont un diamètre d'environ 2,54 mm, et sont, par exemple, en acier inoxydable ou en un superalliage à base de nickel. Ensuite, on applique un revetenient dense, non poreux 16, en alliage de cuivre de conductivité thermique élevée au châssis structural au moyen de la même pulvérisation par plasma d'arc à basse pression, d'une épaisseur au moins suffisante pour couvrir les tubes de refroidissement 14 et donner un excès pour un usinage de finition. Bien que le revêtement de cuivre 16 pulvérisé par plasma soit bien lié à la structure sous-jacente 10, pour améliorer la liaison on utilise un procédé de liaison connue sous le nom de compression isostatique à chaud (HIP), qui consiste à placer les pièces à lier dans une cuve fermée, mettre la cuve sous une pression d'environ 69 à 103 MN/n au moyen d'un gaz inerte tel que l'argon, et à chauffer à une température de 926 à 10100C pendant 2 à 4 heures. Ensuite, on usine la surface de la couche de revêtement 16 à l'état et au contour voulus, et on applique une pellicule appropriée 18 d'alliage anticorrosion, qui peut être soit un gainage classique, soit une couche pulvérisée par plasma. Sur la figure 2 conme cela vient juste d'être décrit, le longeron structural sous-jacent 10 est une pièce plutôt grande ayant approximativement la forme de l'aube finie. Au contraire, la figure 3 illustre une variante dans laquelle la structure de base se compose de plusieurs longerons, dans le cas présent de quatre longerons 20, et une partie prin- cipale du volume 22 entourant les longerons 20 se compose de cuivre pulvérisé par plasma HV/LP. Ainsi, des sections de cuivre, extrêmement épaisses, allant jusqu'à 2,54 cm sont pulvérisées autour du châssis structural défini par les longe- rons. Pour débuter ce procédé particulier, une âme relativement mince 24 de cuivre s'étend initialement entre les longerons 20, et c'est à cette âme, ainsi qu'aux longerons 20 eux-mêmes, que se lie initialement le cuivre pulvérisé par plasma. Les tubes de refroidissement 14 sont placés à un moment convenable du procédé de pulvérisation, et éventuellement sont totalement noyé dans le corps 22 constitué par le cuivre pulvé- risé par plasma. Exemples particuliers Lors des études de praticabilité, on a pulvérisé par plasma plusieurs alliages de cuivre sur des substrats d'Inconel- 718 (alliage à base de nickel) et de cuivre de conductivité élevée, sans oxygène (cm OFHC) à la fois en forme de tiges et de plaques. On a ensuite évalué les résultats, en parti- culier, on a évalué les effets des variables du traitement de pulvérisation par plasma sur les caractéristiques métallur- giques des couches de cuivre déposées sur les substrats à base de nickel et de cuivre. Procédures des essais Les substrats étaient Cu OFHC et l'Inconel-718 (19 Cr - 19 Fe - 0,4 Al - 0,9 Ti - 3,0 Mo - 5,0 Nb - 0,4 C - complément Ni). Les alliages de revêtement par pulvérisation par plasma étaient Cu MZC (0,04 Mg - 0,15 Zr - 0,6 Cr - complément Cu), obtenus auprès de Alloys Metals, Inc, Troy, Michigan, et de poudres de CuNiTi obtenus auprès de Udimet Powder Division, Special Metals, Ann Arbor, Michigan. On a utilisé deux alliages CuNiTi différents: (5,0Ni - 2,5 Ti - complément Cu) et (2,0 Ni - 1,2 Ti - complément Cu). On a tamisé toutes les poudres. On a fait des expériences en utilisant deux fractions granulométriques de poudre, (- 3,7pm et + 37 pm, - 44 pm), de chaque alliage de cuivre. On a utilisé ces poudres pour déposer des revêtements d'environ 0,127 cm d'épaisseur sur des plaques de Cu OFHC et d'Inconel 718. Tous les dépôts par pulvérisation par plasma on été faits en utilisant un système de pulvérisation par plasma à basse pression fabriqué par Electro-Plasma, Inc, Irvine, Californie. Les paramètres de traitement utilisés étaient les suivants: - Courant du pistolet 1300 A à 50 V - Pression de dépôt: 8000 Pa - Débit-masse d'alimentation en poudre: 6 kg/h - Distance du pistolet au substrat: 33 cm. Les substrats étaient préchauffés en utilisant les gaz chauds du pistolet à environ 700 C; pendant le revêtement, la température du substrat s'élevait d'environ 800 C à 900 C. On a fait des examens métallographiques de chaque dépôt à l'état brut après dépôt et après un traitement thermique ultérieur. Le traitement thermique utilisé consistait à chauffer 2 h à 954 C dans l'argon puis 16 h à 454 C dans l'argon. L'examen métallographique indiquait que les revêtement étaient denses et qu'on avait obtenu une bonne liaison du revêtement pour toutes les éprouvettes. Densité de revêtement On a effectué des mesures de densité sur du Cu MZC déposé sur une enclume qui a été utilisée pour supporter les substrats. Les résultats sont rassemblés dans le tableau I suivant: TABLEAU I DENSITE DE Cu MZC PULVERISE PAR PLASMA POUDRE Brut de dépàt Traité thermiquement (Classe granulométrique) (2h à 9540 + 16h à 454"C dans A) pm Revêtement Revêtement Rev8tement Revêtement 1,27 mn3,81 mm 1,27 m 3,81 m - 37 95,7% 98,3% 99,9% 99,6 + 37 - 44 95,8 99,0% 97,C0 99,7% Du tableau précédent, on peut voir que, à l'état brut de dépôt, les revêtements de la poudre la plus grossière sont aussi denses que ceux formés avec la poudre fine. Ainsi, le revêtement le plus épais est généralement plus dense que le revêtement le plus mince. ESSAI DE FATIGUE THERMIQUE On a évalué des tiges d'Inconel 718 et Cu OFHC revêtues de Cu MZC par un simple essai de laboratoire. On chauffait les éprouvettes à 954 C dans l'argon, puis on les refroidis- sait par air forcé. On répétait ce cycle 10 fois. Au llè cycle, on plongeait les éprouvettes dans de l'eau à température am- biante. On inspectait soigneusement macroscopiquement et mi- croscopiquement les éprouvettes ayant subi les cycles thermi- ques: Il n'y avait pas d'évidence de fissuration. ESSAI DE TRACTION DES ALLIAGES CuNiTi PULVERISES PAR PLASMA On a préparé des plaques d'alliages Cu Ni Ti pratiquement de densité maximum en pulvérisant des poudres de - 37pm pour former des couches de 0, 25 cm d'épaisseur environ. Après un traitement thermique de vieillissement à deux étapes à 1060'C et 620 C, on a usiné des éprouvettes de traction en feuille à partir des couches pulvérisées par plasma. Les résultats de l'essai de traction pour Cu - 5 Ni - 2,5 Ti pulvérisé par plasma sont indiqués au tableau II. TABLEAU II PROPRIETES DE TRACTION DE Cu - 5 Ni - 2,5 Ti PULVERISE PAR PLASMA (Traité thermiquement à 1060 C et 620 C) Température Résistance Limite Striction d'essai à la rupture d'élasticité c MN/i MN/I % TA 510 448 28 149 455 393 12 274 358 317 10 399 262 220 6 524 124 ilo 10 Les propriétés de traction de Cu-5Ni-2,5STi pulvérisé par plasma présentées dans le tableau II précédent sont approxi- mativement les mêmes que celles de Cu-2Ni-1,2 Ti, et sont environ 30% à 50% inférieures a celles de Cu - 5 Ni-2,5 Ti corroyé. ESSAIS DE LIAISON On a mesuré les forces de liaison pour Cu - 5Ni - 2,5 Ti déposé par pulvérisation par plasma sur une plaque coulée d'Inconel-718 avec un redan à 451 au milieu de la plaque. Après pulvérisation par plasma, on meulait des ébauches à partir du composite avec le raccord à 45 entre l'Inconel 718 et l'alliage de Cu situé au milieu. On usinait des éprouvettes en feuille et on les traitait thermiquement. On a mesuré, après une certaine déformation plastique, des résistances au cisaillement de 193 et 241 MN/nf. La contrainte de cisail- lement à la limite d'élasticité était de 165 MN/I pour les deux éprouvettes. Les contraintes de traction correspondantes des éprouvettes étaient de 234 MNI/ à la limite d'élasticité et de 269 et 345 MN/n à la rupture. Ces essais montrent que le procédé de dépôt par pulvé- risation par plasma a créé une interface très saine. De ce qui précède, il apparaît que le procédé de pulvé- risation par plasma hV/LP convient bien à la fabrication de diffuseurs et aubes refroidies par eau pour une turbine à gaz à haute température. On a démontré que, avec des réglages appropriés du processus, on peut déposer des couches d'in- tégrité élevée de plusieurs alliages à base de cuivre sur des substrats de cuivre OFHC et d'Inconel-718. Ces revête- ments pratiquement sans oxygène sont presque denses à 100% et forment une liaison métallurgique tenace avec le substrat, en particulier après un traite:ent thermique convenable. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de diffuseur et d'aube compo- site pour une turbine à gaz caractérisé en ce qu'il consiste a:- - fournir un châssis structural (10) sous la forme d'un longeron comportant des tubes de refroidissement (14) proches de la surface du châssis; et appliquer un revêtement dense, non poreux (12) d'alliage de cuivre de conductivité thermique élevée au châssis structu- ral par pulvérisation par plasma d'arc à basse pression, d'une épaisseur au moins suffisante pour couvrir les tubes de refroi- dissement et fournir un excès pour un usinage de finition. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre la liaison par compression isostatique à chaud du châssis structural, la pression différentielle étant supportée par le revêtement non poreux de cuivre de conductivité thermique élevée. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'usinage du revêtement de cuivre de conductivité thermique élevée afin d'obtenir une surface lisse. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le revêtement de cuivre est appliqué en une épaisseur de l'ordre d'au moins 0,254 mm. 5. Procédé de fabrication de diffuseur et d'aube composite refroidi par l'eau pour une turbine gaz caractérisé en ce qu'il consiste à: - fournir un châssis structural (10) sous la forme d'un longeron; - appliquer un revêtement dense, non poreux (12) d'alliage de cuivre de conductivité thermique élevée au châssis structural par pulvérisation par plasma d'arc à basse pression, - placer des tubes de refroidissement (14) le long de la surface du revêtement initial (12); et - appliquer un revêtement dense, non poreux (16) d'alliage de cuivre de conductivité thermique élevée au châssis structural par pulvérisation par plasma d'arc à basse pression, d'une épaisseur au moins suffisante pour couvrir les tubes de refroidissement et fournir un excès pour un usinage de finition. 1 1 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre la liaison par compression isostatique à chaud du châssis structural, la pression différentielle étant supportée par les revêtements non poreux de cuivre de conductivité thermique élevée. 7. procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'usinage du revêtement de cuivre de conductivité thermique élevée afin d'obtenir une surface lisse.