Brevet FR2615031A1 — publié le 19881110

"' 2615031 DONNEES DE BASE DE L'INVENTION Un type de résistance d'usage courant est composé d'un noyau ou d'un substrat isolant auquel on ajoute un film en métal. Le noyau est généralement composé d'une substance en céramique ou en verre, à laquelle on ajoute un alliage nickel-chrome (nichrome) ou un alliage de nickel, de chrome et d'un ou plusieurs autres éléments, qui est ensuite évaporé ou vaporisé sur le substrat. On utilise pour les résistances un film en nichrome à cause de sa stabilité et du coefficient de résistance aux températures voisines de zéro (TCR) dans les résistances. C'est une 'pratique commune d'ajouter de l'aluminium à ces films de nichrome pour obtenir un meilleur TCR. Les travaux réalisés sur les superalliages ont montré que l'addition d'un certain pourcentage d'aluminium aux super-alliages de nichrome permet la 1 5 formation d'un oxyde de surface constitué essentiellement de A1203. Ce dépôt d'oxyde procure une meilleure protection contre les impuretés et la corrosion. Cependant, l'oxyde A1203 s'écaille aux températures élevées. Il a de plus été montré que des additions relativement mineures de métaux des terres rares ou de métaux de 2 0 transition améliorent la résistance à l'oxydation des super-alliages nichrome-aluminium. D'autres études ont évoqué l'hypothèse que des impuretés usuelles qui s'infiltrent dans le film éloignent les électrons des atomes de métal et empêchent ces électrons de contribuer aux liaisons de type métalliques plus fortes s'exerçant entre les grains. Ces études n'ont pas eu de répercussions directes sur les travaux avec les films de nichrome, à l'inverse des super-alliages. Les travaux de recherche relatifs aux super-alliages n'ont pas pris en compte les résistances électriques. Par exemple, un brevet fut 3 0 accordé à la NASA en juillet 1982, concernant des travaux orientés vers l'amélioration des super-alliages. Dans ce brevet, N 4.340.425, du zirconium fut ajouté pour améliorer les performances des super- alliages, avec un poids optimal d'environ 0,13% et un domaine d'efficacité allant de 0,06% à 0,20% en poids. Les travaux réalisés par cet inventeur révèlent que les films de nichrome nécessitent des pourcentages beaucoup plus élevés pour obtenir les effets désirés, avec des améliorations notables pour des pourcentages allant d'environ 1,0% à 6,0%, et avec un optimum autour de 3,0%. Les films des résistances diffèrent également de façon considérable des super- alliages de par leur composition de base. Par exemple, les films des résistances ont une teneur en chrome de 30% ou plus, alors que les 1 0 super-alliages ont généralement une teneur en chrome de 10% à 20%. Il est nécessaire d'ajouter 1,0% ou plus de métaux de transition ou d'éléments des terres rares pour obtenir des résultats avec un film de nichrome, alors que des additions inférieures à 1% semblent optimales pour les super-alliages. 1 5 Dans la découverte de cette invention, la théorie a montré que l'addition des éléments listés dans ce brevet améliore la résistance de l'oxyde à la corrosion et/ou favorise le dépôt d'oxyde A1203 ainsi que l'adhérence et la stabilité du dépôt d'oxyde sur l'alliage nickel- chrome-aluminium. Tous les éléments réagissent avec l'oxygène et également avec le soufre. Les éléments dont le rayon atomique est élevé comparé à celui du nickel, qui sont quasiment insolubles avec le nickel, et qui réagissent avec l'oxygène sont également des candidats possibles pour l'amélioration de l'adhérence et de la stabilité de A1203 et, par conséquent, pour l'amélioration de la stabilité du film de nichrome. L'objectif de cette invention est de fournir un film de nichrome ou un autre film métallique présentant une meilleure stabilité électrique dans des conditions de stockage à des températures élevées ou lors de fonctionnement à haute intensité, ou une 3 0 combinaison des deux. Un autre objectif de cette invention est de fournir une meilleure protection contre les impuretés et d'empêcher l'écaillage de l'oxyde. DESCRIPTIONDE L'INVENTION Cette invention décrit une version améliorée d'un film de nichrome ou d'un autre film métallique, destinée à être utilisée dans des résistances électriques ou pour d'autres usages à des températures élevées, ainsi que la méthode de fabrication de ce film qui procure une meilleure stabilité électrique. Cette meilleure stabilité est obtenue sans affecter de façon significative le TCR des résistances. Ces résultats sont obtenus par addition d'un élément de transition et/ou d'un élément des terres rares au film de la 1 0 résistance. L'alliage nickel-chrome est généralement constitué de 30% de nickel et 70% de chrome ou de 70% de nickel et 30% de chrome, ou d'une composition intermédiaire quelconque. De l'aluminium est fréquemment ajouté à l'alliage nickel-chrome, dans des quantités 1 5 suffisantes pour obtenir un TCR égal à zéro. Lorsque de l'aluminium est ajouté au mélange, une composition caractéristique est la suivante: 33% de nickel, 33% de chrome et 33% d'aluminium. Cette invention prévoit d'ajouter à l'alliage nickelchrome de base un métal de transition et/ou un élément des terres rares. L'un de ces éléments, ou une combinaison de ces éléments, est ajouté, dans une proportion variant de 1,0% à 30% en poids, avec un domaine préférentiel allant de 3,0% à 6,0% en poids. Des résultats optimaux sont obtenus pour une addition de 3,0% en poids. Parmi les éléments de transition qui donnent des résultats optimaux, on trouve le scandium, l'yttrium, le zirconium et l'hafnium. Dans le groupe des éléments des terres rares, on trouve parmi les éléments qui fournissent un résultat optimal: le cerium, le praséodyme, le néodyme, le samarium, l'europium, le gadolinium, le terbium, le dysprosium, l'holmium, l'erbium, le thulium, l'ytterbium, 3 0 le lutécium et le thorium. 26 153 1 Il faut comprendre qu'un élément de résistance peut être constitué d'un film déposé sur le substrat ou le noyau, ou peut également être constitué d'un fil enroulé autour de la résistance, ou encore d'une feuille ou d'une bande métallique à la place du film. Ces films sont produits par vaporisation dans de l'argon, sous courant continu et sous l'action d'un champ magnétique. Ils ont été déposés en utilisant les paramètres standards de vaporisation pour les films de nichrome sur des cylindres en céramique du type normalement utilisé pour produire les résistances à film métallique, 1 0 et sur des substrats en verre ou en céramique utilisés pour produire des réseaux de film mince ou des puces. Les films déposés se situent dans leur ensemble dans la fourchette de 20 à 100 ohms par carré. Tout autre procédé de fabrication est identique à ce qui est en usage pour les films de nichrome standards. 1 5 Des tests furent effectués sur des exemples reflétant les différentes compositions et les résultats sont indiqués dans les tableaux ci-après. Le premier test qui fut réalisé est un test d'humidité, dans lequel deux différents types de résistances furent placés dans une chambre contenant un pourcentage élevé d'humidité pendant 10 jours. Deux types de résistances furent testés selon cette méthode, l'un contenant un film composé de nickel, de chrome et d'aluminium, et le second groupe de résistances contenant un film dans la composition duquel on avait ajouté du zirconium. Vingt résistances de chaque type furent testées afin de déterminer les 'variations moyennes de résistance en pourcentage. Comme l'indique le tableau, de meilleurs résultats furent obtenus lorsque le zirconium fut ajouté. Le second type de test réalisé sur trois différents types de résistances est un test de vie en charge. Lors de ce test, 20 3 0 résistances de chacun des trois types furent fabriquées à un calibre de 1/10 watt et soumises à une puissance de 1/8 watt afin de ne pas dépasser 125 C. Un type de résistance fut composé uniquement de 26150 1 nickel, de chrome et d'aluminium; au second fut ajouté 1% de zirconium; et au troisième fut ajouté 3% de zirconium. Comme les tableaux l'indiquent, de meilleurs résultats furent obtenus lorsque le zirconium fut ajouté, et le résultat optimal fut obtenu lorsque la quantité de zirconium ajoutée fut la plus élevée. Le dernier test réalisé est un test d'exposition à une température élevée, au cours duquel la température ambiante à laquelle sont exposées les résistances est élevée àl75 C. Pour le premier groupe testé, le film fut composé de nickel, de chrome, d'aluminium et de zirconium, et les résistances furent exposées à la chaleur pendant 250 heures. La résistance contenant la quantité la plus élevée de zirconium donna le meilleur résultat. Dans le second groupe, du nickel, du chrome, de l'aluminium et du zirconium furent ajoutés au film, avec des quantités différentes d'aluminium et de 1 5 zirconium. Après une exposition de 2017 heures à une température élevée, on peut constater qu'un équilibre entre l'aluminium et le zirconium donna le meilleur résultat. Enfin, trois différents types de résistances furent exposés pendant 500 heures à une température élevée. De bons résultats furent obtenus lorsque du zirconium fut ajouté, de meilleurs résultats furent obtenus lorsque de l'ytterbium fut ajouté, et les résultats les meilleurs furent obtenus lorsque du cerium et du zirconium furent' ajoutés. Ces tests font la preuve des améliorations apportées par cette invention. TEST D'HUMIDITE (MIL-R-55182) (Ref. MIL-STD-202, Méthode 106) Composition approx. du film* Var. moyenne de résist. en % 34 Ni 34 Cr 31 AI 1 Zr -0,002 34 Ni 34 Cr 33 AI +0,510 26150O1 VIE EN CHARGE (125 C. 1/8 WATT) (Calibre 1/10 watt) Composition approx. du film* Var. moyenne de résist. en % 34 Ni 34 Cr 31 Ai 1 Zr - 0,012 34 Ni 34 Cr 29 Al 3 Zr 0,005 34 Ni 34 Cr 32 Ai 0,104 1 0 EXPOSITION A UNE TEMPERATURE ELEVEE (175 C) Variation moyenne Composition approx. du film* Durée de résistance en % 34 Ni 34 Cr 30,5 Al 1,5 Zr 250 0,246 34 Ni 34 Cr 29,0 A1 3,0 Zr 250 0,096 42 Ni 42 Cr 13,0A1 3,0 Zr 2017 0,747 42 Ni 42 Cr 8,0 Al 8,0 Zr 2017 0,947 34 Ni 34 Cr 27,5 Al 1,5 Ce 3 Zr 500 0,022 34Ni 34 Cr 29,0 A1 3,0 Zr 500 0, 079 34 Ni 34 Cr 29,0 AI 3,0 Yb 500 0,036 *Tous les pourcentages sont estimés d'après la configuration de la cible de vaporisation. 261503 1 1. Une résistance électrique comprenant un noyau ou un substrat isolant possédant une surface de support; un élément de résistance sur ladite surface de support; ledit élément de résistance comprennant: une quantité petite mais effective de nickel, de chrome, et d'une substance choisie parmi le groupe consistant essentiellement d'aluminium, d'un élément de transition et d'un élément des 1 O terres rares; ledit élément de résistance constituant une barrière contre les impuretés, empêchant la corrosion et fournissant la stabilité électrique à ladite résistance électrique. 2. 1 5 La méthode de fabrication d'une résistance électrique comprenant un noyau ou un substrat isolant possédant une surface de support; un élément de résistance sur ladite surface de support; ledit élément de résistance comprenant une quantité petite mais effective de nickel et de chrome, l'amélioration consistant à: ajouter une substance choisie parmi le groupe d'éléments consistant essentiellement d'aluminium, d'un élément de transition et d'un élément des terres rares, en quantité petite mais effective; par laquelle ledit élément de résistance constitue une barrière contre les impuretés, empêche la corrosion et fournit la stabilité électrique à ladite résistance électrique. 3. Un alliage, spécialement adapté à une utilisation en tant que conducteur pour résistances électriques, ledit alliage comprenant un alliage de nickel et de chrome auquel est ajouté; afin d'empêcher la 3 O corrosion et d'augmenter la stabilité, une quantité petite mais effective d'une substance choisie parmi le groupe consistant essentiellement d'aluminium, d'un élément de transition et d'un élément des terres rares. 4. Le dispositif de la revendication 1, dans lequel la quantité de nickel varie de 30% à 70% en poids, et la quantité d'aluminium varie de 0,0% à 35% en poids. 5. La méthode de la revendication 2, dans laquelle la quantité de 1 0 nickel varie de 30% à 70% en poids, la quantité de chrome varie de % à 70% en poids et la quantité d'aluminium varie de 0,0% à 35 % en poids. 6. L'alliage de la revendication 3, dans lequel la quantité de nickel 1 5 varie de 30% à 70% en poids, la quantité de chrome varie de 30% à % en poids et la quantité d'aluminium varie de 0,0% à 35 % en poids. 7. Le dispositif de la revendication 1, dans lequel la quantité de l'élément de transition et de l'élément des terres rares varie de 1,0.% à 30% en poids. 8. La méthode de la revendication 2, dans laquelle la quantité de l'élément de transition et de l'élément des terres rares varie de 1,0% à 30% en poids. 26 s 15031 L'alliage de la revendication 3, dans lequel la quantité de l'élément de transition et de l'élément des terres rares varie de 1,0% à 30% en poids. 10. L'alliage de la revendication 1, dans lequel l'élément de transition est choisi à partir du groupe de métaux constitué de l'yttrium, du zirconium, et de l'hafnium. 11. 1 0 La méthode de la revendication 2, dans laquelle l'élément de transition est choisi à partir du groupe de métaux constitué de l'yttrium, du zirconium, et de l'hafnium. 12. L'alliage de la revendication 3, dans lequel l'élément de 1 5 transition est choisi à partir du groupe de métaux constitué de l'yttrium, du zirconium, et de l'hafnium.