Brevet FR2544748A2 — publié le 19841026

FR 2544748 A2 19841026 FR 8306647 A 19830422 "Procédé de réalisation de couche d'oxyde protectrice. L'invention a pour objet un procédé pour réaliser des couches d'oxyde protectrices sur un objet méral- lique, dans lequel on soumet l'objet, après un traitement préliminaire, à un processus d'oxydation à température élevée, comme décrit dans le brevet principal. On connait la protection apportée par tes couches d'oxydes sur les objets métalliques contre des oxyde tion ou des corrosions ultérieures. D'autre part, les couches d'oxydes naturelles ou constituées par des procédés connus préviennent, dans une certaine mesure, le soudage par friction entre des surfaces de contact, quand la charge n'est pas forte ou qu'il existe un film de lubrifiant. Il n'existe aucune fiabilite sur la durée de la résistance dans le cas d'une surface de contact sèche sous forte contrainte, par exemple des vibrations haute fréquence. Sous de telles conditions apparait généralement rapidement le soudage par friction et il en résulte que l'on ne peut plus débloquer la liaison. Sont particulièrement concernées les liaisons entre éléments en titane ou alliage à base de titane soumises aux contraintes mentionnées ci-dessus dans les turbines et les compresseurs. Une méthode connue, pour protéger les objets en titane contre le soudage par friction , consiste en ce que 'on recouvre la surface de ces objets avec ue couche d'oxyde. Suivant le procédé connu, la couche en oxyde de titane (TiO2) est obtenue en chauffant l'objet dans une atmosphère d'oxygène pur, Un tel procédé ne permet néanmoins pas d'ase surer une protection des objets dans le cas de contraintes extremes, notamment sous des températures élevées, comme il arrive dans les compresseurs et les turbines. Les couches obtenues par le procédé connu ne présentent aucune stabilité mécanique suffisante et donc auxune résistance satisfaisante contre le souda@@ par friction. La couche de protection se brise dès l'apparition de faibles sollicitations, s'en va par endroits, et est donc en relativement peu de temps complètement détruite et hors d'usage. En application de l'invention selon la demand@ do brevet princlpal, l'amélioration apportée a procédé connu décrit ci-dessus consiste à permettre à la couche d'oxyde d'assurer une protection pleinement opérante contre la soudure par friction dans le cas de liaisons de pièces de machines en alliage à base de titane. La solution, selon la demande de brevet principal, consiste , pour l'application du procédé à des objets en acier allié au chrome et au nickel, en ce que l'on soumet l'objet à un traitement préalable mécanique et/ou chimique et en ce que l'on effectue le processus d'oxydation qui suit en utilisant un potentiel d'oxydation plus faible et une température comprise entre 500 et 9000C environ.La présente invention utilise ce meme procédé, décrit selon la revendication 1, dans une autre forme d'application en effet, il est également possible d'effectuer une oxydation sélective au moyen d'un potentiel d'oxyde tion plus faible, grâce auquel par le choix d'une pression partielle adéquate de l'agent d'oxydation, on peut obtenir que quelques éléments seulement, composant la matiè@e de l'obje@, et de préférence un seul élément, soient oxydés.Il en résul que pour un métal qui peut former des oxydes différents cor respondant à des niveaux différents de valence, on peut velon- tairement ne former que les oxydes de valence faible Dans e cas présent il s'agit du Ti2O3, qui est isotope du A12OS dont les propriétés mécaniques interessantes sont bien connues et qui l'ont amené à etre largement utilisé sous Ja for- me de couche de protection contre l'usure,au moye du procé- dé C.V.D. Un avantage remarquable du- procédé selon l'in- vention réside donc en ce que des couches peuvent être obtenues qui présentent un mélange homogène de Tri 203 et Al2O3 et égaiement de tTi,Al)03. Ce mélange présente d'une part une haute résistance à l'usure, et autre part un faible coefficient de frottement. En conséquence, et grâce au fait que le procédé selon l'invention permet d'obtenir des couches d'épaisseur régulière, ainsi qu'une stabilité mécanique ameliorée par rap- port à l'état de la technique, ces couches constituent une bonne protection contre la soudure par friction, égalemen dans les hautes températures. La qualité de la couche de protection peut être encore davantage améliorée si l'on soumet l'objet à un traitement préalable mécanique, comme par exemple un formage à froid. Ce traitement mécanique, qui peut être un meulage, un pierrage, un laminage, ou un grenaillage, suivi éventuellement d'un polissage, permet d'obtenir une amélioration de la finesse du grain en surface de l'objet en fonction du traite- ment thermique postérieur, et par là une augmentation de la mobilité des atomes de l'alliage, mobilité nécessaire pour que les composés minoritaires de 1'aluminium s'insèrent dans 1'o- xyde. I1 en résulte une adhérence améliorée.Cette bonne sta- bilité mécanique se fonde également sur la formation mentionnée ci-dessus de (Ti,Al)203 grâce au potentiel d'oxydation faible, formation lente mais dense à cause de la faible vitesse de diffusion dans le réseau cristallin. Le C02 peut être utilisé comme agent d'oxyda tion pendant le processus d'@xydation. On peut alors utiliser le mélange gazeux tampon 2C02= 2CO+O2 poux abaisser la pression partielle en oxygène. Un agent préférentiel d'oxydation est la vapeur d'eau. Dans le cas de la vapeur d'eau et au moyen du mélange gazeux tampon 2H20 = 2H2+O2, on peut obtenir un potentiel d'oxydation encore plus faible que dans le cas du C02. De plus, l'hydrogène libéré pendant l'opération d'oxydation joue un rôle positif sur le processus, par le fait que cet oxygène produit à l'inter phase une réduction supplémentaire de la pression partielle en oxygène. Pour réaliser le processus d'oxydation sous une pression réduite et dans le but d'éviter l'utilisation d'appareils à vide , il est proposé d'amener l'agent d'oxydation sur l'objet à couvrir d'une couche d'oxyde da3 un gaz porteur inerte, de préférence un gaz rare, particuliè rement l'hélium ou l'argon. L'agent d'oxydation peut êtro alors et ae préférence utilisé dans un circuit fermé, ou s--en également dans un système de circulation semi-fermé ou à l'air libre. Dans le cas de l'utilisation du CO2 comme agent d'oxydation, le potentiel d'oxydation requis est infé- rieur à 50 mbar , de préférence aux environs de 10 mbar dans le cas de la vapeur d'eau, la pression partielle est inférieure à 100 mbar , ces valeurs s'entendant dans les eonditions normales. Avantageusement, le processus d'oxydation sera mené avec la vapeur d'eau à une pression partielle d'environ 20 mbar . Dans ce dernier cas, on travaille directement à la pression atmospherique et à la température ambiante. De préférence, l'épaisseur de la couche d'oxyde mesure entre 10 et 15 microns. Une telle couche est résistante et par suite stable sous les efforts mécaniques et autres sollicitations. EXEMPLE DE REALISATION EXEMPLE I Pour recouvrir d'une couche d'oxyde un alliage à base de titane TiAl6V4 on a procédé aux étapes suivantes a) la surface a tout d'abord suivi les traitements mécaniques de meulage (granulation 320), de honing ou grenaillage, puis de polissage au contact d'autres pièces. b) Le processus d'oxydation a ensuite été mené par 8000C avec 20 mbar de vapeur d'eau dans l'argon c) Après quatre heures d'un tel processus d'oxydation, on a obtenu une couche de Wi,Al)203 de 10 à 15 microns. REVENDICATIONS 10) Procédé de réalisation de couches d'oxydes protectrices sur des objets soumis, après traitement préliminaire, à un processus d'oxydation sous température élevée, selon l'une quelconque des revendications 1 et 4 à 10 du brevet principal, caractérisé en ce que, pour l'application du procédé à des objets en alliage à base de titane, on soumet l'objet à un traitement préalable mécanique et/ou chimique, et en ce que l'on effectue le processus d'oxydation qui suit en utilisant un potentiel d'oxydation plus faible et une température comprise entre 500 et 9000C. 20) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on procède à un traitement mécanique préalable, particulièrement un écrouissage. 30) Procédé selon l'une des revendications i et 2, caractérisé en ce que l'objet, après traitement préalable, est soumis à un processus d'oxydation sous un potentiel d'oxydation faible au moyen d'un mélange gazeux tampon comprenant de l'oxygène. 40) Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la pression partielle en CO2, rapportée aux conditions normales, est inférieure à 50 mbar , de préférence aux environs de 10 mbar 50) Procédé selon l'une quelconque des revendications de 1 à 4, caractérisé en ce que l'agent d'oxydation est de la vapeur d'eau. 60) Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la pression partielle en vapeur d'eau, rame- née aux conditions normales, est inférieure à 100 mbar , de préférence aux environs de 20 mbar 7 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérise en ee que 'agent d'oxydatioll est conduit sur l'objet à revêtir au moyen d'un gaz porteur inerte, de préférence un gaz rare tei que l'argon ou l'hélium. 80) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ne que la durée d'oxydation est comprise entre 2 et 8 heures 90) Procédé selon l'une quelc@ ie des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche oxydée est comprise entre 10 et 15 microns. 100) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que, après un traitement méca@ique préalable, on soumet l'objet à un processus d'oxydation pendant environ 4 heures à 800 sous 20 mbar de pression de vapeur d'eau portée dans un gaz rare