Brevet FR2545400A1 — publié le 19841109

La présente invention concerne un procédé o on utilise un chalumeau à arc plasma pour déposer une poudre abrasive sur un substrat L'invention concerne également les articles enduits obtenus par la mise en oeuvre de ce procédé Les principes ont été développés dans le domaine d'un moteur à turbine à gaz pour l'appli- cation de revêtements abrasifs à des éléments employés dans cette industrie mais ont des possibilités d'applications plus larges à des éléments et structures dans d'autres industries. Des matières de poudre abrasive sont utilisées dans l'industrie desmoteurs à turbine à gaz pour communi- quer des propriétés abrasives à une ou deux surfaces opposées qui sont susceptibles de venir en contact par frottement On cherche à éviter une interférence destructrice au contact entre les deux surfaces en permettant à la surface abrasive de couper proprement dans la matière de la surface opposée jusqu'à ce qu'un mouvement non interférent en résulte. La technique ci-dessus est appliquéepar exemple, auxjointsdans le parcours des gaz entre les étages entre les assemblages de rotor et de stator A la fois les joints du diamètre interne et du diamètre externe peuvent utiliser ces principes Aux jointsdu diamètre externe les sommets des pales de rotor sont pourvus de propriét Csabrasivesde sorte que pendant les mouvements du rotoravec dilatation relative supérieure à celle du stator qui l'entoure, les pales de rotor coupent proprement dans le bandage opposé Dès que les joints ont été coupés, un jeu minimum ou nul est établi au point du mouvement maximum du rotor Des mouvements ultérieurs n' usent pas des quantités supplémentaires de matière Des procédés représentatifs connus dans la technique de fabrication de pales de rotor à extrémité abrasive sont décrits dans les brevets US No 3 922 207 et 4 169 020. -2 Similairement, des revêtements abrasifs sont utilisés dans d'autres applications telaque le joint du type labyrinthe à l'intérieur d'un moteur Le brevet US No. 4 148 494 est un exemple représentatif d'une telle structu- re. Etant donné que la nécessité d'utiliser des revêtements de poudre abrasive dans l'industrie des moteurs à turbine à gaz a augmenté, les scientifiques et les ingénieurs dans cette industrie ont cherché des structures encore améliorées et des techniques de dépôt perfectionnées, en particulier des techniques capables de maintenir les angles des particules de poudre abrasive et une bonne adhérence à la surface sur laquelle les parti- cules sont disposées. Selon la présente invention des particules de poudre abrasive et de matière de matrice pour faire adhérer ces particules de poudre abrasive à la surface d'un substrat sont co-déposées à la surface du substrat en un procédé o la matière de matrice métallique et les particules de poudre abrasive heurtent simultanément la surface du substrat. Selon un procédé détaillé de dépôt d'un revêtement, un courant de gaz plasma est créé dans un chalumeau à arc plasma, des particules de matrice métallique sont injectée dans le courant de plasma, les particules de poudre abrasive sont ensuite injectées dans ce courant au point de contact du courant avec la surface du substrat à enduire et le chalumeau se déplace le long de la surface du substrat. Une caractéristique principale du procédé de co-dépôt est le contact simultané des particules de poudre abrasive avec la matière de matrice chauffée réalisé par le courant de plasma à la surface du substrat à enduire Des poudres de matière de matrice métallique sont injectées dans le courant de plasma à un endroit écar- té de la surface à enduire et les particules de poudre abrasive sont injectées dans le courant de plasma à un endroit plus près du substrat à enduire que le point d'injection des particules de matrice Les particules de poudre abrasive injectées dans le courant viennent en contact avec la matière de matrice métallique à la surface à enduire Dans un appareil détaillé, le disposi- tif d'injection de poudre abrasive et le dispositif d'in- jection de matrice sont orientés selon un angle de 1800 de part et d'autre du périmètre du courant de plasma. Un avantage principal de la présente invention est la capacité de déposer des revêtements économiques avec une bonne adhérence et en conservant les angles des particules de poudre abras Qé Une bonne adhérence est obtenue en piégeant les particules de poudre abrasive dans la matière de matrice métallique en fusion lorsque cette matière de matrice métallique se solidifie à la surface du substrat enduit Les angles des particules de poudre abrasive sont bien conservés en évitant un contact prolongé des particules de poudre abrasive avec la partie à haute température du courant de plasma. Le procédé de dépôt a une bonne flexibilité en ce qu'il est capable de déposer les particules de poudre abrasive de dimensiorevariabl Eset en ce qu'il est capable d'utiliser des matières de matrice ayant des propriétés variant largement Une bonne propriété abrasivedu revêtement est maintenue pendant la durée du procédé d'application. Les particules de poudre abrasive peuvent être déposées au travers de toute l'épaisseur du revêtement ou simplement à la surface en retardant l'injection de poudre abrasive d'une ou plusieurs passes sur le substrat à enduire Le procédé de revêtement décrit convient bien, pour la remise à neuf d'éléments enduits après une première -utilisation Le procédé peut être utilisé pour appliquer des revêtements abrasifs aux surfaces de géométrie complexe. Pour que l'invention puisse être mieux comprise, -4- référence est faite aux figures suivantes o La figure 1 est une vue en élévation de côté, simplifiée d'une partie d'un moteur à turbine à gaz comprenant des sections partiellement éclatées pour révéler des éléments opposés d'assemblage de stator et de rotor. La figure 2 est une représentation simplifiée d'un sommet de pale de rotor comprenant un revêtement abrasif; la figure 3 est une représentation simplifiée d'une partie d'un tambour d'assemblage de rotor comprenant un revêtement abrasif; la figure 4 est une représentation simplifiée d'une partie de tranchant d'un joint du type labyrinthe comprenant un revêtement abrasif; la figure 5 est une représentation simplifiée d'un dispositif de pulvérisation à arc plasma déposant un revêtement abrasif selon le principe de la présente invention; la figure 6 est une vue agrandie représentant l'impact simultané des particules de poudre abrasive avec les particules de matrice à la surface du substrat à enduire; la figure 7 est une vue en coupe prise le long de la figure 6; la figure 8 est une photographie en coupe (grossissement 100 fois) d'un revêtement abrasif appliqué au sommet d'une pale de rotor selon les paramètres de l'exemple 1; et la figure 9 est une photographie en coupe (grossissement 200 fois) d'un revêtement abrasif applique. à un tranchant de joint du-type labyrinthe selon les paramètres de l'exemple 2, Des revêtements appliqués par le procédé -selon la présente invention ont une utilité dans l'indus- trie des moteurs à turbine à gaz La figure 1 est une 2545400 t -5représentation en coupe simplifiée d'une partie d'une section d'un compresseur d'un moteur réalisé dans cette industrie Un assemblage de rotor 12 s'étend axiakinent au travers du moteur et est entouré par un assemblage de stator 14 Un parcours de gaz 16 pour le milieu de travail s'étend axialement au travers du moteur. Des rangées de pales de rotor, représentéespar les pales 18, s'étendent vers l'extérieur à partir d'un tambour de rotor 20 au travers des parcours de gaz 16. Des rangéesd'aubes de stator, représentézpsar les aubes 22, sont disposéesen porte-à-faux vers l'intérieur à partir de l'enceinte 24 du moteur au travers du parcours de gaz Un joint externe 26 entourechaque rangéede pale de rotor 18 Un joint interne 28 est formé par le tambour de rotor 20 à l'intérieur de chaque rangéed'aubes 22 Des revêtements abrasifs sont appliqués, par exemple à l'interface entre les sommets despales de rotor 18 et le joint externe ou à l'interface entre les sommets d'aubes 22 et le joint interne 28 L'élimination de l'interférence destructrice à de tels interfaces se produisant lors des incursbnsdu rotor pendant les conditions transitoires et recherchée La réalisation d'un revêtement abrasif sur l'une de ces surfaces opposées use proprement la matière de la surface correspondante sans détruire l'in- tégrité structurelle des deux parties. La structure de compresseur de la figure 1 représente les éléments auxquels les revêtements abrasifs peuvent être appliqués c'est-à-dire les sommets des pales de rotor 18 et les joints internes 28 du rotor De tels éléments et leur revêtements sont représentés dans les figures 2 et 3 respectivement D'autres applications peuvent comprendre la surface solide de contact 30 d'un joint 32 du type en chenal tel que celui représenté dans la figure 1 o le bord tranchant, figure 4, d'un joint du type à labyrinthe. 54540 o Selon un mode de réalisation d&taill&,de tels revêtements abrasifs ont une utilité particulière lorsqu'ils sont utlisés simultanément avec des éléments fabriqués en alliage de titane La chaleur de réaction importante libérée lors de l'oxydation de tels alliages rend les éléments susceptibles de s'enflammer lorsque se produit:uneinterférencede frottement Un revêtement abrasif sur l'un de ces éléments parfrottement découpe la matière de l'élément opposé sans créer, des contraintes thermiques excessives. Un procédé pour appliquer les revêtements abrasifs selon la présente:invention est représenté dans la figure 5 Un courant 34 de gaz plasma est formé au moyen d'un générateur 36 de plasma et est déchargé vers la surface du substrat 38 à enduire Des particules de matière de matrice sont injectées dans le courant de plasma à un endroit éloigné de la surface du substrat et sont plastifiéesou fonduesdans le courant de plasma. Des particules 42 de matière de poudre abrasive sont injectées dans le courant de plasma très près de la surface du substrat A la fois les particules de poudre abrasive et les particules de matrice sont,de préférence, injectéesparallèlement à la direction du vecteur de mouve- ment du chalumeau vers le substrat Le rapport de masse de matière de matrice à particules de poudre abrasive peut varier largement Des rapports entre 1:1 et 100:1 sont typiques Dans au moins un procédé détaillé, les particules de matrice et les particules de poudre abrasive sont injectés dans le courant de plasma à des endroits relatif 5 autour du périmètre du courant de plasma qui sont approxi- mativement à 180 l'un de l'autre Dans un autre procédé détaillé, les particules de matrice et les particules de poudre abrasive sont injectéesdans le courant de plasma depuis des directions sensiblement perpendiculaire à l'axe A du courant de plasma Le revêtement de plasma pulvérisé est refroidi au substrat par des jets de refroidissement -7 44 qui émanent de buses 46 sur les côtés opposés du chalumeau à arc plasma Les jets 44 sont dirigés dans l'illustration de façon à intersecter en un point P au-dessus de la surface du substrat. Les distances entre le point d'injection des particules de matrice et le point d'injection de particules de poudre abrasive et la surface du substrat sont des facteurs importants pour l'application avec succès du revêtement abrasif En principe, le point - d'injection des particules de matrice doit être écarté d'une distance suffisante du substrat pour permettre un ramollissement ou une fusion des particules dans le courant de plasma Le point d'injection des particules de poudre abrasive doit être suffisamment proche du substrat de façon à permettre que la poudre abrasive soit piégée dans la matière de matrice à la surface des substrats sans fusion des bords tranchants angulaires de la poudre abrasive En outre, la position du point d'injection des particules de poudre abrasive proche du substrat réduit au minimum l'accélération des particules de poudre abrasive par le courant de plasma et réduit la tendance des poudres abrasives à rebondir du substrat avant qu'elle ne scent piégée par la matrice Les positions réelles des points d'injection de la poudre abrasive et de la matricepar strat dépendrantde la composition et de la dimension des particules de matière choisies Un autre point important considéré pour la localisation du point d'injection de la poudre abrasive est l'effet de cette localisation sur l'incidence entre les particules de matrice et les particules de poudre abrasive Le point optimum d'incidence se produit à la surface du substrat Le contact simultané des particules de poudré abrasive avec les particules de matrice à la surface du substrat est souhaité L'incidence- des particules de poudre abrasive avec la matière de matrice au-dessus de la surface du substrat résulte en un 2 5454 refroidissement prématuré de la matrice et en un faible rapport de rétention des particules de poudre abrasive par la matrice étant donné que seulement une matière de 3 matrice en fusion ou plastifiée se déposera à la surface. En outre, un contact prolongé des particules de poudre abrasive avec le gaz plasma de haute température peut réduire les angles des bords tranchants des particules de poudre abrasive. Un autre facteur pour obtenir une probabilité élevée de piégeage desparticules de poudre abrasive est l'angle d'injection des particules dans le courant de plasma L'angle optimum est aussi proche de 900 que possible de sorte que le temps de séjour de particules à proximité du substrat soit porté au maximum Des particules injectées dans la direction en aval ont une tendance accrue de rebondir du substrat; des particules injectées dans la direction en amont sont finalement accélérées par le courant de plasma et ont également tendance à rebondir du substrat. Des séries multiples de revêtements ont été réalisées avec une grande variété de choix de matières et de paramètres d'application Les exemples montrés ci- dessous sont représentatifs de la plupart des séries réalisées avec succès. Exemple I Le sommet d'une pale de rotor de compresseur tel que la pale 18 représentée dans la figure 2 a été enduit d'une épaisseur de l'ordre de 0, 25 mm en une seule passe du chalumeau à arc plasma le long du sommet de la pale Les paramètres de la pulvérisation de plasma étaient comme suit: Chalumeau à arc plasma chalumeau Metco 7 M avec buse du type G Distance de la buse au substrat 60,32 mn Point d'injection dela matrice 58,74 mm du substrat Point dl'ijection de la poudre 1,59 mm abrasive dé substrat 9 Distance des jets de refroidissement au substrat Courant du chalumeau à arc plasma Tension du chalumeau à arc-plasma Vitesse relative entre le chalumeau et le substrat Gaz d'arc plasma primaire Gaz d'arc plasma secondaire Matière de matrice Matière de poudre abrasive Gaz véhicule de la matrice Gaz véhicule de la poudre abrasive Orifice du dispositif d'injection de la matrice Orifice du dispositif d'injection de la poudre abrasive Matière de substrat 9,525 mm 540 ampères volts 0,92 m/sec azote 3681,2 dm 3/hr 0,345 M Pa -Hydrogène approximativement 283,17 dm 3/hr 0, 345 M Pa Metco 443 (Alliage de nickel chrome plus aluminium) dimension des particules(-150/+ 38 wn) débit ( 25 g/min) carbure de silicium dimension des parti- cules (poudre abra- sive 140) faible débit(l O Og/ min) azote 311,49 dm 3/hr 0,345 M Pa argon 424,75 dm 3/hr 0,345 M Pa Metco No 2 tube de 6,35 mm de diamètre externe Alliage de titane Préparation du substrat sablage /revétement liant de Metco 443 Décalage du substrat de l'axe de pulvérisation de plasma 1,59 mm Distance du dispositif d'injec 22,225 mm tion de poudre abrasive à l'axe de pulvérisation de plasma Direction de l'injection de la perpendiculaire à l'axe poudre abrasive de pulvérisation deplama- Situation relative du dispositif d'injection de matrice et de poudre abrasive 1800 Exemple Il Le bord tranchant d'un joint du type labyrinthe tel que le bord tranchant représenté dans la figure 4 a été enduit d'une épaisseur de l'ordre de 0, 25 mm en une seule passe du chalumeau à arc plasma le long du substrat Le paramètre de pulvérisation du plasma était comme suit Chalumeau à arc plasma Chalumeau Metco 7 M avec buse du type G Distance de la buse au substrat 57,15 mm Point d'injection de la matrice 55,56 mm au substrat Point d'injection de la poudre 6,35 mm abrasive au substrat Distance du jet de refroidissement O au substrat Courant du chalumeau à arc plasma 480 amps Tension du chalumeau à arc plasma 65 volts Vitesse relative entre le chalumeau 1,524 m/sec. et le substrat Gaz d'arc plasma primaire azote Gaz d'arc plasma secondaire 2831,7 dm 3/h 0,345 M Pa hydrogène approximativement Matière de matrice Matière de poudre abrasive Gaz véhicule de matrice il - 283,17 dmn 3/h 0,345 M Pa Metco 443 (alliage de nickel chrome de l'alluminium) dimension de particules (-150/+ 38 "m) débit ( 25 g/min) carbure de silicium (poudre No 320) azote 311,49 dm 3/hr 0,345 M Pa Gaz véhicule de poudre abrasive Orifice du dispositif d'injection de la matrice Orifice du dispositif d'injectiond'unepoudre abra Matière de substrat Préparation de substrat argon 424,75 dm 3/hr 0,345 M Pa Metco No 2 tube de 12,7 mm de diamètre Lsive externe alliage de titane sablage /revêtement liant de Metco 443 Décalage du substrat de 1,587 mm l'axe de pulvérisation de plasma Distance du dispositif d'in 22,225 mm jection de poudre abrasive à l'axe de pulvérisation de plasma Direction du dispositif d'in perpendiculaire à l'axe de jection depoudre abrasive pulvérisation de plasma Situation relative des disposi 180 tifs d'injectionde matrice et de poudre abrasive La vue en coupe de la figure 7 montre un principe important du revêtement pour des substrats très 12- étroits, en particulier des sommets de palecde compres- seur qui peuvent être enduits selon les paramètres de l'exemple 1 o des tranchants peuvent être enduits selon les paramètres de l'exemple 2 Les sommets de pales de compression typique peuvent être aussi étroits que O, Olmm; les tranchants sont typiquement effilés jusqu'à une largeur de 0,25 mm Il est à remarquer que le substrat étroit 38 à enduire dans la figure 7 est décalâ d'une distance X de l'axe A du courant de plasma En pulvérisant de la matière abrasive on a découvert empiriquement qu'une zone hautement érosive précisément à l'axe A du courant de plasma empêche la formation de la matière de revêtement dans cette région Le décalage du substrat de la zone érosive à cet axe augmente grandement le taux selon lequel les particules de poudres abrasives piégées s'accumulent sur le substrat Bien entendu diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au procédé et articlesobtenus qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. 13 - Revendications: 1 Procédé pour appliquer un revêtement de poudre abrasive au moyen d'un chalumeau à arc plasma sur un substrat caractérisé en ce qu'il comporte les étapes de: créer un courant de plasma de haute température; injecter des particules de matières de matrice dans le courant de plasma; injecter des particules de poudre abrasive dans le courant de plasma à un endroit en aval de l'endroit o ces particules de matière de matrice sont injectées et à une distance du substrat à enduire teô que les particules de matrice et les particules de poudre abrasive viennent simultanément en contact avec lasurface du substrat à enduire et les unes avec bs autres; et déplacer le chalumeau de pulvérisation à arc plasma le long du substrat à enduire. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ces particules de matrice et,ces particules de poudre abrasive sont injectées dans le courant de plasma à des endroits relatifs qui sont approximativement de 1800 de part et d'autre de la circonférence du courant de plasma. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la direction d'injection desparticules de matrice et la direction d'injection des particules de poudre abrasive sont parallèles au vecteur de mouvement du chalumeau le long du substrat, la direction d'injection des particules abrasives étant dans la direction du vecteur du mouvement du chalumeau. 4 Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce qu'on injecte ces particules de matrice et de poudre abrasive dans le courant de plasma à partir d'une direction sensiblement perpendiculai- re à la direction de mouvement du courant de plasma. 5 Procédé pour déposer un revêtement abrasif sur un substrat caractérié en ce qu'il comprend l'étape d'injecter des particules de poudre abrasive dans un courant 14 - de plasma contenant des particules entraînées de matière de matrice à un endroit proche de la surface du substrat à enduire de sorte que les angles des particules de poudre abrasive sont préservés par un contact limité avec le courant de plasma. 6 Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que les particules de poudre abrasive et de matrice sont amenées en un premier contact à la surface du substrat à enduire de sorte que les surfaces angulaires des parti- cules de poudre abrasive sont libres de revêtement de matière de matrice lors du dépôt sur la surface du substrat. 7 Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 â-6, caractérisé en ce que le rapport de masse de matière de matrice enfusion aux particules de poudre abrasive déposéesse situe dans l'intervalle de 1:1 à 100:1. 8 Procédé selon la revendication 5, caractérisé à ce que les particules de poudre abrasive sont injectées dans le courant de plasma à un endroit entre environ 1,587 mm et 6,35 mm. 9 Procédé pour appliquer un revêtement contenant une poudre abrasive par des techniques de pulvérisation à l'arc plasma sur un substrat étroit caractérisé par le perfectionnement consistant à décaler le substrat étroit de l'axe du courant de plasma pendant l'application du revêtement pour éviter les zones érosives à l'endroit de l'axe de plasma pulvérisé. Article enduit obtenu par la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.