Brevet FR2657889A1 — publié le 19910809

Elément de construction en un alliage à base de fer comportant une couche de protection contre la corrosion, et procédé de fabrication ". L'invention concerne un élément de construction en un alliage à base de fer comportant une couche de protection contre la corrosion, et un procédé pour la fabrication d'un élément de construction de ce type. Il est connu que des éléments de construction en alliages à base de fer sont étamés, zingués, nickelés, chromés ou aluminés, afin d'être protégés contre les corrosions De telles couches de protection contre la corrosion ont l'inconvénient de ne pas fonctionner en atmosphère oxydante, sulfurante ou chlorée, à des températures de plus de 5000 C et sous contrainte simultanée de corrosion par friction. D'après DE-A-38 15 977, on connaît des couches intermédiaires de pellicules qui protègent des éléments de construction contre la corrosion par friction, avec l'inconvénient que chaque élément susceptible de corrosion par friction est muni de deux pellicules qui, pour leur part, doivent présenter des surfaces préparées ou revêtues de façon différente. Le but de l'invention est de fournir un élément de construction en un alliage à base de fer, comportant une couche de protection, qui soit protégé contre la corrosion par friction, l'attaque oxydante et la corrosion par attaque, et qui soit utilisable dans des ajustages sous contrainte de corrosion par friction, dans un jet de gaz oxydant, sulfurant ou chloré, à des températures de plus de 6000 C Il faut en outre fournir un procédé peu coûteux pour la fabrication d'un élément de construction de ce type, comportant une couche de protection contre la corrosion. Ce but est atteint par le fait que la couche de protection comporte une couche de base à base de nickel et/ou de cobalt, une couche intermédiaire à base de composés intermétalliques Ni Al ou Co Al et une couche de recouvrement constituée d'un vernis résistant à hautes températures, à base d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium. Un avantage de cette solution est qu'une couche de base à base de nickel et/ou de nickel égalise les comportements de dilatation thermique distincts de l'élément de construction et de la couche intermédiaire à base de composés intermétalliques et réduit les tensions entre la couche intermédiaire et le matériau de base Cette couche à base de nickel et/ou de cobalt contient en même temps des composants d'alliage qui permettent un durcissement de la couche de base. Un autre avantage est que les composés intermétalliques ne sont pas présents dans la couche superficielle de l'élément de construction, o ils diminuent de 30 % la résistance de l'élément de construction à la fatigue en oscillation, mais sont disposés dans la couche de protection contre la corrosion, sous forme de couche intermédiaire à l'intérieur de l'élément de construction La couche intermédiaire à base de composés intermétalliques protège la couche de base contre l'oxydation et garantit ainsi la protection contre la corrosion par friction aux points d'ajustage de l'élément de construction, lorsque la couche de recouvrement est détériorée La couche de recouvrement, ductile, constituée d'un vernis résistant à hautes températures, à base d'aluminium et/ou d'alliage d'aluminium, améliore en même temps le frottement de glissement aux points d'ajustage et diminue ainsi la corrosion par friction La proportion d'aluminium et d'alliage d'aluminium dans la couche ductile de recouvrement va de 20 à 60 % en poids de particules métalliques dans le vernis résistant à hautes températures Le reste est constitué d'un liant, par exemple à base de phosphate, silicate, silicate d'alkyle ou d'une résine silicone, les températures de fonctionnement de 800 'C dans le cas du liant de type phosphate étant abaissées à 5000 C dans le cas du liant de type résine silicone. Un autre avantage de la couche intermédiaire et une forte stimulation de l'adhérence entre la couche de recouvrement et la couche de base. Dans une configuration préférée de l'invention, à une couche de base à base de nickel est allié du bore ou du phosphore formant, à 500-700 OC, des phosphures ou des borures avec le matériau de base de la couche de base, et permet ainsi un durcissement de la couche de base, qui améliore la protection contre la corrosion par friction. Un matériau préféré d'élément de construction est un alliage à base de fer-nickel contenant 30-42 % en poids de Ni, 8-20 % en poids de C, 3-5 % en poids de Nb et Ta, 1-2 % en poids de Ti et 0,2-1,2 % en poids de Si Cet alliage offre l'avantage d'un coefficient de dilatation relativement bas, et par conséquent est particulièrement approprié à des éléments de construction de carters d'appareils moteurs à turbines à gaz, dans la mesure o une couche de protection contre la corrosion selon l'invention diminue ainsi bien la corrosion par friction comme l'oxydation et la corrosion. La température d'utilisation et la durée d'utilisation d'éléments de construction de carters à base d'aciers chromés spéciaux, dans des appareils moteurs de turbines à gaz, sont améliorées au moyen d'éléments de construction selon l'invention, à revêtement anti-corrosion, le matériau de base de l'élément de construction étant de préférence un acier chromé spécial avec les additions d'alliage de 8-15 % en poids de chrome, 2-5 % en poids de nickel, 1-3 % en poids de molybdène. La couche de protection anti-corrosion peut être revêtue d'un scellement à base de liant de type résine résistant à hautes températures En ce cas, un scellement à base de phosphate, pouvant supporter jusqu'à 8000 C, tolère les plus hautes températures de fonctionnement Les liants de type silicate ne sont pas très inférieurs en ce qui concerne leur aptitude à supporter des températures élevées Pour de faibles contraintes allant au moins jusqu'à 5000 C, des liants à base de titanate de butyle, d'un silicate d'alkyle et de résine silicone sont appropriés en tant que couche de scellement. Le problème de fournir un procédé pour la fabrication de l'élément de construction du type indiqué est résolu par les étapes de processus suivantes On dégraisse d'abord la surface de l'élément de construction et on la prive de particules minérales On applique ensuite une couche à base de nickel et/ou de cobalt, et on revêt celle-ci avec un vernis résistant à hautes températures, à base d'aluminium et/ou d'alliage d'aluminium Le vernis résistant à haute température est séché et/ou cuit, et après cela on chauffe l'élément de construction avec le revêtement, à une température de réaction pour la formation d'une couche intermédiaire à partir des composés intermétalliques Ni Al ou Co Al dans la couche limite entre la couche de base et le vernis résistant à hautes températures. Le procédé offre l'avantage qu'il s'agit d'un procédé de fabrication par voie humide, avantageux du point de vue du coût Le nickel et le cobalt sont de préférence appliqués sur l'élément de construction par dépôt chimique non électrolytique. Des additifs tels que le bore ou le phosphore peuvent alors améliorer la dureté de la couche de base. Un autre procédé préféré pour l'application de la couche de base est le dépôt galvanoplastique de nickel ou de cobalt ou un dépôt galvanoplastique de nickel et de cobalt en rapport stoechiométrique des deux, avec l'avantage qu'il est possible d'atteindre une cadence élevée de passage dans les bains. On atteint de préférence de plus grandes qualité, densité et pureté de la couche par pulvérisation ou dépôt du matériau en phase vapeur, sur le matériau de base de l'élément de construction. Le nettoyage et l'enlèvement de la surface de l'élément de construction, avant l'application de la couche de base, au moyen d'un faisceau d'électrons ou d'un jet de plasma à argon, dans un récipient mis sous vide et jusqu'à 2-6 m sont enlevés. On mode de réalisation préféré du procédé prévoit de sécher à 20-80 C, pendant 10 à 60 minutes, et/ou de cuire à 20-3500 C, pendant 0,5 heure à 5 heures, le vernis résistant à hautes températures. Dans le cas de liants de type silicate et de type résine silicone, la cuisson ne consiste qu'en un durcissement à 20-300 C du vernis résistant à hautes températures, ce qui réduit avantageusement les coûts de fabrication. La formation d'une couche intermédiaire empêchant l'oxydation, à base de composés intermétalliques, qui empêche une destruction de la couche de base, est déterminante pour la résistance à la corrosion par friction Cette couche intermédiaire, d'une épaisseur de 0,5 à 5-6 m, à base de composés intermétalliques, se forme en même temps que le durcissement de la couche de base, ce qui est effectué de préférence à 550-6500 C, pendant 2 à 200 heures. Si, dans cette étape du processus, on opère en même temps en atmosphère oxydante, les particules d'aluminium et d'alliage d'aluminium au voisinage de la surface dans le vernis résistant à hautes températures sont oxydées en A 1203 résistant à l'oxydation. Dans le vernis résistant à hautes températures, des particules en alliage d'aluminium offrent par rapport à des particules d'aluminium l'avantage que dans le choix approprié du partenaire d'alliage, la température admissible de fonctionnement pour le vernis résistant à hautes températures peut être augmentée. L'invention est illustrée à l'aide des exemples descriptifs et non limitatifs ci-après. Exemple 1: On projette d'abord de l'A 1203 sur un élément de construction à base d'un alliage fer-nickel contenant 37 % en poids de nickel, 14 % en poids de cobalt, 4,8 % en poids de Nb et Ta, 1,5 % en poids de Ti, 0,4 % en poids de Si, le reste étant constitué de fer, afin d'éliminer les impuretés minérales adhérentes et compacter la surface Après un dégraissage et un grainage de la surface, on immerge l'élément de construction dans un bain non électrolytique de dépôt de nickel Pendant cette opération, on introduit en même temps 10 % en poids de phosphore dans la couche de nickel de base ayant une épaisseur de 5 pm Après cela, on trempe l'élément de construction dans un vernis minéral résistant à hautes températures, composé de 30 % en poids d'aluminium et, pour le reste, d'un liant de type phosphate, et on fait durcir pendant 30 minutes à 350 'C la couche immergée de 50 pm d'épaisseur pour aboutir à la couche de recouvrement On soumet ensuite ce revêtement à une activation pendant 2 heures à 5600 C, pour la formation d'une couche intermédiaire de 1 pm d'épaisseur à base d'aluminure de nickel intermétallique Il se forme en même temps dans la couche de base un dépôt de phosphure de nickel qui améliore le processus de durcissement et l'adaptation au matériau de base, en ce qui concerne le comportement de dilatation à la chaleur Après cela, l'élément de construction est muni d'une couche de protection contre la corrosion et est exposé à des cycles d'essais thermiques en atmosphère oxydante et corrosive. Exemple 2: On dégraisse à sa surface et on nettoie, pour en éliminer les impuretés minérales, un élément de construction à base d'acier chromé spécial contenant 12 % en poids de chrome, 2,5 % en poids de nickel, 1,7 % en poids de Mo, le reste étant constitué de fer, puis on le revêt de cobalt par galvanoplastie, en une épaisseur de 20 pim Sur cette couche de base revêtue par galvanoplastie, on applique par pistolage la couche de recouvrement à base d'un vernis résistant à hautes températures, contenant 20 % en poids d'une poudre d'alliage d'aluminium, et un liant de type silicate, et après le séchage, on la fait durcir pendant 10 minutes à la température ambiante et pendant 1 heure à 3000 C A une température de 6300 C pendant 10 heures, il se forme ensuite une couche intermédiaire d'aluminure de cobalt, de 1,5 PM d'épaisseur. REVENDICATIONS ) Elément de construction en un alliage à base de fer comportant une couche de protection contre la corrosion, caractérisé en ce que la couche de protection comporte une couche de base à base de nickel et/ou de cobalt, une couche intermédiaire à base de composés intermétalliques Ni Al ou Co Al et une couche de recouvrement constituée d'un vernis résistant à hautes températures, à base d'aluminium ou d'un alliage à base d'aluminium. ) Elément de construction selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans la couche de base à base de nickel, sont contenus de 0,5 à 10 % en poids de bore ou de phosphore sous forme dépôts de borure de nickel ou de phosphure de nickel. ) Elément de construction selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'élément de construction est constitué d'un alliage de fer et de nickel contenant de 30 à 42 % en poids de nickel, de 8 à 20 % en poids de cobalt, de 3 à 5 % en poids de Nb et Ta, de 1 à 2 % en poids de Ti et de 0,2 à 1,2 % en poids de Si. ) Elément de construction selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'élément de construction est constitué d'un acier chromé spécial avec des additions d'alliage de 8-15 % en piods de chrome, 2,5 % en poids de nickel, 1,3 % en poids de molybdène. ) Elément de construction selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la couche de recouvrement est revêtue d'un scellement qui est constitué d'un liant de type vernis résistant à hautes températures. ) Procédé pour la mise en oeuvre d'un élément de construction en un alliage à base de fer, comportant une couche de protection contre la corrosion selon la revendication 1, dans lequel on dégraisse d'abord la surface et on la prive de particules minérales, puis on la munit d'un revêtement à base de nickel et/ou de cobalt et on revêt celle-ci avec un vernis résistant à hautes températures, à base d'aluminium et/ou d'alliage d'aluminium, puis on sèche et/ou cuit le vernis, caractérisé en ce que l'on chauffe ensuite l'élément de construction avec le revêtement, à une température de réaction pour la formation d'une couche intermédiaire à partir des composés intermétalliques aluminure de nickel ou aluminure de cobalt dans la couche limite entre la couche de base et le vernis résistant à hautes températures. 7 ) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la surface de l'élément de construction est nettoyée au moyen d'un faisceau d'électrons ou d'un jet de plasma à argon, dans un récipient mis sous vide, et jusqu'à 2-6 m sont enlevés. ) Procédé selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que le matériau pour la couche de base est pulvérisé, déposé par vaporisation, déposé chimiquement ou appliqué par galvanoplastie. ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le vernis résistant à hautes températures contient un liant de type vernis résistant à hautes températures, à base de phosphate, de silicate, de titanate de butyle, d'un silicate d'alkyle ou d'une résine silicone. ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que le vernis résistant à hautes températures est séché à 20-800 C pendant 10 à 60 minutes et à 20-3500 C pendant 0,5 à 5 heures. 11 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 10, caractérisé en ce qu'une couche intermédiaire à base de composés intermétalliques est formée à des températures comprises entre 550 et 650 C, le temps de chauffage étant réglé entre 2 et heures, de manière qu'il se forme une épaisseur de couche de la couche intermédiaire allant de 0,5 à -6 m.