Brevet FR2631867A1 — publié le 19891201

d1' 2631867 La présente invention concerne la formation d'extrémités pouvant s'user sur des aubes de turbine, et des articles obtenus par ce procédé de formation. Plus particu- lièrement, elle concerne un procédé pour former une parti- cule qui est destinée à être incorporée dans les extrémités des aubes d'une turbine afin de leur conférer des propriétés d'usure, et l'article obtenu par ce procédé. On connait dans la technique l'utilisation d'aubes de turbine dont les extrémités sont constituées de matériau pouvant s'user. L'une des raisons de l'emploi de tels pro- duits et de leur utilisation est la création d'un jeu entre l'extrémité des aubes de la turbine et le logement dans lequel elles tournent. On sait que le gaz qui est comprimé dans une zone compression sous l'effet du fonctionnement de l'étage de compression d'une turbine à gaz cherche à s'évader de la zone en passant par les ouvertures disponibles d'une façon qui est normale et caractéristique des matériaux gazeux. L'une de ces ouvertures se trouve dans l'espace formé par le jeu entre le bord de l'aube de la turbine et le logement dans lequel elle tourne. On a considéré comme avantageux et -2- souhaitable de maintenir à une valeur aussi petite que pos- sible le jeu séparant le bord de l'aube et le logement. Il s'agit là d'un exploit pour un dispositif dans lequel les aubes tournent sur un arbre à l'intérieur d'une enceinte à une vitesse d'environ 12 000 tours par minute. Des tolérances très étroites entre l'extrémité de l'aube et son enveloppe sont un objectif souhaitable mais le maintien d'un jeu de faible valeur peut être difficile car les diverses parties du moteur sont soumises à des contraintes et un léger mouvement des pièces se produit. Une façon de maintenir un jeu étroit consiste à incorporer un matériau abrasif dans l'extrémité de l'aube de façon que, s'il se trouve légèrement en contact avec l'enveloppe, il est en mesure de s'éroder et de s'user à l'endroit du contact. Il y a un certain nombre de caractéristiques qu'on peut souhaiter dans l'extrémité abrasive d'une aube et dans le matériau abrasif dont elle est constituée. L'une de ces caractéristiques est que le matériau abrasif doit résister à l'oxydation dans l'environnement du moteur. Une autre carac- téristique souhaitable est que le matériau incorporé dans l'extrémité de l'aube soit sensiblement abrasif. Une autre caractéristique est que le matériau abrasif incorporé dans l'extrémité de l'aube soit chimiquement compatible avec le métal de l'aube à l'état solide pendant la durée de vie utile de l'aube même. Une condition supplémentaire est que la particule qui doit exécuter la fonction abrasive. ne puisse être incorporée dans l'aube. S'agissant de ce dernier point, l'une des manières les plus efficaces pour incorporer de telles particules dans l'extrémité d'une aube consiste à provoquer la fusion de l'extrémité de l'aube, par exemple par laser, et à incorpo- rer le matériau de manière à assurer la fonction abrasive dans l'extrémité à l'état fondu de l'aube. Pour pouvoir incorporer une particule abrasive dans l'extrémité à l'état - 3 - 2631867 fondu de l'aube d'une turbine, sa masse spécifique doit être supérieure à environ 8 grammes par centimètre cube. Si la masse spécifique est inférieure à cette valeur, les parti- cules flotteront alors sur la partie supérieure de la masse fondue formée à l'extrémité de l'aube et ne seront pas incorporées dans cette extrémité. Un matériau tel que le carbure de tantale présente un ensemble de caractéristiques souhaitables en ce sens qu'il a une masse spécifique supérieure à 8 grammes par cen- timètre cube et peut servir utilement d'abrasif. On a de fait incorporer des particules de carbure de tantale dans les extrémités des aubes de turbine pour servir de matériau abrasif. Cependant, bien que satisfaisant la plupart des critères relatifs à de tels matériaux, elles n'ont pas une résistance à l'oxydation suffisante. Une étude des matériaux abrasifs dont on dispose facilement, qui ont une stabilité thermique et une résistance à l'oxydation convenables, montre que la majeure partie d'entre eux ont une masse spé- cifique inférieure à la valeur de 8 grammes par centimètre cube qui est nécessaire à une incorporation directe dans l'extrémité à l'état fondu d'une aube de turbine. Il existe des matériaux dont on dispose qui pourraient servir de maté- riaux abrasifs dans les extrémités des aubes et qui satis- font les impératifs techniques qu'on vient de souligner. Ces matériaux font l'objet d'une description dans une publica- tion de R.L. Fleischer, ayant pour titre "High Temperature, High Strength Materials - An Overview", July 1985 (Matériaux de résistance élevée pour hautes températures). Cependant, l'utilisation de ces matériaux nécessiterait une recherche considérable pourl'établissement de leurs propriétés et de leur faisabilité quant à leur incorporation et leur utilisa- tion dans l'extrémité des aubes de turbine. Au lieu d'étudier certains de ces matériaux qui ne sont pas bien connus ou bien caractérisés, on admet qu'il serait hautement souhaitable de pouvoir utiliser des maté- - 4 - 263186 riaux abrasifs plus classiques et mieux caractérisés. Cela est particulièrement vrai dans le cas des matériaux dont on sait qu'ils présentent de fines propriétés abrasives et qui néanmoins présentent de la résistance à l'oxydation en plus de l'ensemble des propriétés requises qu'on a fait ressortir ci-dessus. L'un de ces matériaux abrasifs est l'oxyde d'aluminium. Ce matériau satisfait tous les critères requis pour emploi dans l'extrémité d'une aube de turbine, à l'exception des critères de masse spécifique. L'oxyde d'aluminium a une masse de 3,96 grammes par centimètre cube et ne présente donc que la moitié de la masse spécifique nécessaire pour utilisation dans l'extrémité d'une aube de turbine. En conséquence, la présente invention a pour objet un procédé grâce auquel un matériau abrasif ordinaire tel que l'oxyde d'aluminium peut avoir une masse spécifique grandement accrue. La présente invention a pour autre objet une par- ticule lourde pour incorporation dans l'extrémité à l'état fondu de l'extrémité d'une aube de turbine. La présente invention a pour autre objet une extrémité d'aube de turbine sur laquelle est monté un maté- riau abrasif qui est destiné à conférer des propriétés abra- sives à cette extrémité. La présente invention a aussi pour objet un pro- cédé grâce auquel l'extrémité d'une aube de turbine de construction classique peut être rendue abrasive par incor- poration d'un matériau abrasif ordinaire. D'autres objets apparaîtront en partie et seront en partie soulignés dans la description qui va suivre. Dans l'un de ses aspects les plus larges, l'objet de la présente invention peut être atteint en développant un revêtement de platine sur des particules abrasives de construction ordinaire de façon que la particule revêtue ait une masse spécifique supérieure à 8 grammes par centimètre - 5 - cube. Les particules lourdes revêtues de platine sont alors introduites dans la masse fondue à l'extrémité d'une aube de turbine et la partie à l'état fondu de l'extrémité est sou- mise à un gel alors que des particules de support du platine y sont immergées. Dans un autre de leurs aspects, les objets de la présente invention peuvent être atteints en prévoyant une extrémité d'aube deturbine sur laquelle sont montées des particules abrasives ordinaires destinées à conférer des propriétés abrasives à l'extrémité. On sait que l'oxyde d'aluminium est un matériau abrasif et on trouve dans le commerce des matériaux abrasifs à base d'oxyde d'aluminium ayant des diamètres différents pour leurs particules. L'un de ces matériaux dont on dispose a un diamètre correspondant à l'ouverture de maille 74pm- 63 m. Les particules de ce matériau ont un diamètre moyen d'environ 65)jm. La masse spécifique de ces particules abra- sives en oxyde d'aluminium est d'environ 4 grammes par cen- timètre cube. On a trouvé qu'il est faisable d'augmenter sensi- blement la masse spécifique des particules abrasives sur une base individuelle en formant des dépôts de platine sur leur surface. On sait que le platine a une masse spécifique d'environ 21,45 grammes par centimètre cube. On a trouvé qu'en formant une couche de platine d'une épaisseur'de 4 >m sur les particules d'oxyde d'aluminium d'un diamètre d'environ 65 pm la masse spécifique effective des particules passe d'environ 4 grammes par centimètre cube à environ 9,0 grammes par centimètre cube pour les particules revêtues. On a en outre établi qu'une particule de 9 grammes par centimètre cube est suffisamment lourde pour s'enfoncer dans le bain d'un alliage à base de nickel, le bain étant obtenu par chauffage au laser de l'extrémité de l'aube d'une turbine.' - 6 - 2 6 3 6 En outre, on a déterminé que toute dissolution du platine à la suite de l'introduction des particules revêtues de platine dans le bain d'alliage à base de nickel, soit par alliage dans la masse fondue soit à la suite d'une réaction à l'état solide avec le matériau solidifié de l'aube, se traduira par l'emprisonnement des particules d'oxyde d'aluminium à l'intérieur du bain et par l'exécution de la fonction abrasive après gel du bain sur l'extrémité de l'aube d'une turbine. Exemple 1 Une façon dans laquelle on a établi que toute dis- solution du platine du revêtement appliqué aux particules d'oxyde d'aluminium ne sera pas anormalement importante consiste à fondre l'extrémité de l'aube constituée de René 80 avec un outil de soudage à l'arc en atmosphère inerte avec électrode de tungstène et insertion d'un fil de platine dans le bain de soudure du René 80. On a coupé l'extrémité solidifiée du fil dans sa matrice de métal René 80 solidifié et procédé à un examen métallographique. On a observé qu'aucune dissolution importante du fil de platine ne s'était produite. Exemple 2 On prépare un échantillon d'aluminium d'un dia- mètre de 60 micromètres. On classe la poudre d'aluminium par passage au tamis métallique de façon que la majeure partie de la poudre corresponde à un diamètre compris entre 63 et 74 Am. On applique du platine à des particules d'oxyde d'aluminium d'un diamètre de 63 à 74/m par dépôt autocata- lytique. Dans l'exécution du procédé, on prépare 60 grammes de poudre d'oxyde d'aluminium revêtue de platine à partir d'une solution de dépôt "autocatalytique" qu'on trouve dans le commerce, en suivant le mode opératoire ci-après: La première étape consiste à sensibiliser la poudre d'oxyde d'aluminium. A cet effet, on met en suspen- - 7 - sion la poudre pendant deux minutes dans une solution conte- nant 10 grammes par litre de chlorure d'étain et 40 ml par litre d'acide chlorhydrique. La seconde étape consiste à laver à l'eau la poudre sensibilisée et à la filtrer. La troisième étape concerne l'activation de la poudre d'oxyde d'aluminium. A cet effet, on met en suspension la poudre pendant 5 minutes dans une solution contenant 4 grammes par litre de chlorure de palladium (PdC12) et ayant un pH de 3. La quatrième étape consiste à laver à l'eau et à filtrer la poudre activée. Dans la cinquième étape, on pro- *cède au dépôt autocatalytique de la poudre activée. A cet effet, on met en suspension la poudre pendant 20 minutes dans une composition d'un bain qu'on trouve dans le com- merce. On fait suivre ce dépôt autocatalytique d'un lavage à l'eau et d'un filtrage de la poudre revêtue. Dans le procédé décrit ci-dessus, on emploie les quatre premières étapes pour placer une monocouche de palla- dium sur la surface de la poudre d'oxyde d'aluminium. Le palladium agit en catalyseur pour le dépôt autocatalytique initial du platine. Le platine revêtu catalyse ensuite la réduction ultérieure du platine à partir de la solution. Dans cet exemple, le bain de revêtement contient la quantité désirée de platine et on poursuit le revêtement jusqu'à ce que finalement tout le platine soit extrait de la solution. On obtient les 60 grammes de poudre avec ce procédé car il permet d'éliminer le recours à une stabilité à long terme pour le bain. En utilisant ce mode opératoire, on consomme % du platine du bain. Le procédé de cet exemple est essentiellement un procédé par lot de sorte qu'un nouveau lot est préparé pour chaque lot de poudre. Bien qu'on puisse utiliser n'importe quelles dimensions pour le bain de cette expérience, on a procédé dans cet exemple au revêtement de plusieurs lots de 12 grammes dans environ 2 litres du bain de revêtement. On a trouvé qu'étant donné que le platine présente - 8 - O 7 une certaine tendance à revêtir les parois du récipient pour former des flocons, il est souhaitable de passer la poudre au tamis avant de l'utiliser pour incorporation dans une masse fondue formée sur l'extrémité d'une aube de turbine par chauffage par laser dans un procédé similaire. Exemple 3 On prépare un échantillon de poudre d'alumine d'un diamètre de 60 micromètres. On classe la poudre d'aluminium en la faisant passer dans un tamis métallique de façon que la majeure partie de la poudre ait un diamètre compris entre 63 et 74 U/m. On chauffe la poudre à une température d'environ 1 1000 C pendant 1 heure pour éliminer l'humidité et les autres agents de contamination volatils qui pourraient être présents. On pèse une partie de la poudre et la mélange à une solution métallo-organique de platine. La solution employée est une composition qu'on trouve dans le commerce auprès de la société dite Engelhard Corporation sous le n 9 450. La solution contient environ 26 % de platine en poids. La quantité de la solution métallo- organique utilisée correspond à ce qui est juste suffisant pour imprégner complètement la poudre d'alumine. Ce mode opératoire mini- mise la formation de platine libre dans des emplacements autres que les surfaces des particules d'alumine. On chauffe alors lentement ce mélange d'alumine et la composition organo-métallique à une température d'environ 400 C pour éliminer la majeure partie des composés organiques. Le chauffage s'effectue dans l'air. Ensuite, on chauffe la poudre à une température d'environ 800 C pour éliminer le matériau organique supplémentaire de la poudre. En général, on trouve qu'une durée d'environ 1 heure est suffisante à une température de 800 C pour déposer une fine couche de platine sur la poudre d'alumine. On pèse cette poudre de manière à déterminer le gain en poids. A partir du gain en poids, on calcule une épaisseur moyenne pour le revêtement. - 9 - 2631861 On répète le mode opératoire précédent jusqu'à ce que la poudre d'alumine revêtue présente une augmentation d'environ 71 % en poids. Cette valeur de l'augmentation du poids légèrement supérieure à 70 % correspond à une épaisseur moyenne du revêtement d'environ 4 micromètres sur une particule d'alumine de 60 micromètres. On a accompli ce revêtement des particules d'alumine de 60 micromètres avec un revêtement de 4 micromètres au bout de 4 cycles de revêtement correspondant à la description donnée ci-dessus. On examine la poudre d'alumine revêtue dans un microscope électronique à balayage de manière à évaluer les caractéristiques du revêtement. Les revêtements observes permettent de conclure qu'on peut utiliser le procédé métallo-organique décrit ici pour procéder au revêtement d'une poudre d'alumine avec du platine. Un avantage de ce procédé est qu'il est simple et ne nécessite aucun équipement spécialisé. Exemple 4 On procède au revêtement d'un échantillon de poudre d'oxyde d'aluminium par un procédé de pulvérisation. Dans ce procédé de pulvérisation, on utilise du tungstène métallique de manière à éviter les coûts d'achat et de fabrication d'une cible de pulvérisation de platine. On fait l'hypothèse que, si on peut pulvériser du tungstène sur des particules d'alumine, on peut également pulvériser du pla- tine sur de telles particules. La demanderesse pense que la vitesse de pulvérisation du platine est supérieure à celle du tungstène de sorte que si on pouvait utiliser avec succès du tungstène dans le revêtement des particules d'oxyde d'aluminium par pulvérisation, on pourrait utiliser égale- ment du platine. On a obtenu cette information auprès de la Société dite Applied Coatings Incorporated de Columbus, Ohio et la pulvérisation par du tungstène de la poudre d'oxyde d'aluminium a été effectuée par cette société dans leurs installations de Columbus, Ohio. Le matériau préparé par - 10 - 2631867 cette société a fait l'objet d'un examen au microscope élec- tronique à balayage et on a observé qu'il convenait pour être incorporé dans la masse fondue à l'extrémité d'une aube de turbine. Exemple 5 On pèse et examine un matériau préparé par les procédés décrits dans les Exemples 2, 3 et 4. On détermine qu'il est possible de préparer le matériau avec une masse spécifique d'environ 9 au moyen de ces procédés. Pour incorporer ce matériau de base abrasif à haute densité dans un métal ayant une masse spécifique plus faible, il faut que la surface du métal à masse plus faible soit à l'état fondu. Une telle fusion peut s'effectuer par chauffage en plasma ou par chauffage par laser ou par une application similaire de chaleur à une vitesse élevée à la surface d'un article métallique tel que l'extrémité d'une aube de turbine. Dès que la surface a été mise à l'état de masse fondue, on applique rapidement la poudre abrasive de masse spécifique élevée qu'on a décrite ci-dessus à la surface à l'état fondu pour incorporation dans la surface de la masse fondue et par conséquent dans la surface de l'article. Une façon d'appliquer l'abrasif consiste à sou- mettre la surface d'un article à de la chaleur de.la même manière qu'on applique la chaleur dans les opérations de soudage. On applique le chauffage du type soudage par laser à l'extrémité d'une aube, par exemple, au moyen d'un outil de soudage au laser et on fixe une trémie de poudre abrasive de masse spécifique élevée à l'outil et de façon qu'elle se déplace avec lui alors que la chaleur de soudage est appliquée et qu'un bain de soudure est formé et on répartit la poudre abrasive dans le bain de soudure continuellement aussitôt après la formation du bain, par exemple à l'extrémité de l'aube d'une turbine. On forme de cette façon une aube de turbine com- portant un abrasif classique, tel de l'oxyde d'aluminium, noyé dans son extrémité. - il - 2631867 REVENDICATIONS 1. Procédé pour conférer des propriétés abrasives à l'extrémité d'une aube de turbine, caractérisé en ce qu'il -5 comprend les étapes consistant à: procéder au revêtement d'une poudre d'oxyde d'aluminium avec du platine métallique de manière à augmen- ter la masse spécifique de la poudre à une valeur supérieure à celle du métal de l'extrémité de 1-'aube de turbine, chauffer l'extrémité de l'aube de turbine de manière à créer une fusion localisée au droit de l'extrémité, appliquer la poudre revêtue de platine à l'extrémité à l'état fondu de l'aube, geler la masse fondue à l'extrémité de l'aube pour encastrer le matériau abrasif en oxyde d'aluminium dans l'extrémité de l'aube. 2. Aube de turbine, caractérisée en ce qu'elle comprend un abrasif à base d'oxyde d'aluminium encastré dans son extrémité de manière à conférer à cette dernière les propriétés désirées.