Brevet FR2655996A1 — publié le 19910621

PROCEDE DESTINE A EMPECHER LA FRAGILISATION PAR L'OXYGENE. L'invention concerne une couche de protection ainsi qu'un procédé destinés à empêcher la fragilisation par l'oxygène, de pièces de construction en titane, à des températures élevées, sous atmosphère renfermant de l'oxygène. Ces températures élevées dont il est ici question, se situent entre 400 et 900 'C, selon les cas d'utilisation. Par exemple, pour la déformation de pièces de construction en alliages de titane, celles-ci sont chauffées à des températures sensiblement aux alentours de 600 à 9000 C, pour mettre à profit la meilleure aptitude à la déformation à ces températures. On utilise de plus en plus souvent, et notamment également dans la construction de moteurs d'avions, des pièces de construction en titane qui se caractérise par une grande résistance mécanique pour un poids faible De ce fait on essaye de fabriquer avec ces matériaux, également des pièces de construction subissant des sollicitations thermiques, par exemple les aubes des derniers étages de compresseurs, bien que dans les constructions les plus récentes, ces pièces soient soumises à des températures d'environ 6000 C. L'échauffement des pièces de construction en titane, présente toutefois l'inconvénient de l'apparition d'une oxydation et d'une diffusion d'oxygène à la surface de la pièce, aux températures supérieures à 500 C Notamment la diffusion provoque la formation de couches de surface fragiles présentant une dureté plus élevée, et des épaisseurs différentes en fonction du temps de séjour et de la température. De telles couches de diffusion fragiles sont toutefois indésirables dans la plupart des cas, puisque la conséquence en est l'apparition de fissures dans la pièce de construction, qui réduisent la résistance mécanique et la résistance à la fatigue de la pièce de construction. Aussi, un revêtement adhérant parfaitement à la surface de la pièce de construction, doit permettre d'éviter que l'effet de la chaleur porte préjudice aux propriétés de la pièce de construction. C'est pour cela qu'on été entrepris des essais de revêtement de la pièce de construction en titane, destinés à empêcher la formation de zones de diffusion d'oxygène, et donc d'empêcher une influence néfaste sur les propriétés de la pièce de construction Des couches de diffusion de nickel ou d'aluminium (calorisation) en constituent un exemple, mais présentent toutefois l'inconvénient de conduire à la formation de phases fragiles entre le titane et le matériau de revêtement. Cela permet certes d'éviter la formation de l'une des phases fragiles, à savoir celle avec l'oxygène, mais à la place de celle-ci est appliquée une autre phase fragile. Le document US-PS-2 959 503 concerne par exemple une couche de protection destinée à empêcher la diffusion d'oxygène sur des pièces de construction en titane; elle est constituée par une couche de verre formée sur la pièce de construction et n'y restant que pendant peu de temps, à savoir le temps d'un traitement thermique de la pièce Après le traitement thermique, la couche de verre est détachée par éclatement, grâce à un trempage dans un bain d'eau Cette couche de protection en verre ne se forme qu'à des températures au-delà de 700 'C Ainsi, du fait de ces températures, une fragilisation avant le revêtement, et donc une pré- détérioration du substrat ne sont pas a exclure. Cette couche n'est pas adaptée à une protection durable de pièces de construction en titane, puisque d'une part, l'accrochage sur la pièce n'est que très faible, et que d'autre part, la couche éclate immédiatement dans le cas de sollicitations par choc thermique. Il est par ailleurs connu, selon le document DE-OS-22 38 592, de peindre des pièces de construction en matériaux ferreux, en vue d'empêcher le calaminage, avec une couche d'une colle au verre soluble renfermant du silicium L'effet de protection provient du fait que le silicium se combine, par diffusion, au fer du substrat en formant du ferro-silicium. L'inconvénient de ce procédé réside dans le fait qu'il se forme à nouveau une couche de diffusion, qui présente les mêmes caractéristiques quant à la dureté et à la fragilité, que les couches de diffusion d'oxygène En outre, la présence de fer est indispensable pour ce procédé, alors que le procédé conforme à l'invention concerne des alliages de titane. Des couches de protection comprenant des borures, des carbures, des nitrures ou éléments similaires ont été testées, et peuvent certes éviter une fragilisation du substrat, mais sont toutefois liées à un abaissement considérable de la résistance mécanique. Le but de l'invention consiste à fournir une couche de protection ainsi qu'un procédé de revêtement de protection pour des pièces de construction en titane, qui permettent d'empêcher de manière durable, la formation de composés de diffusion de l'oxygène, sans porter préjudice à la résistance mécanique du matériau de base. Conformément à l'invention, ce but est atteint en ce que la couche de protection se compose d'un vernis au verre soluble de Na et d'une poudre de silicium, le rapport de poids de la poudre de Si au vernis au verre soluble allant de 1:0,8 à 1:1,4. Conformément à l'invention, le procédé de revêtement d'une pièce de construction en titane avec une couche de protection du type de celle définie ci- dessus, se caractérise en ce qu'un vernis au verre soluble de sodium est mélangé à une poudre de Si dans un rapport de poids de la poudre de Si au vernis au verre soluble allant de 1:0,8 à 1:1,4, ce mélange étant appliqué sur la pièce de construction et séché à température ambiante. Conformément à l'invention cette couche de protection peut être appliquée sur des aubes de compresseur, sur un carter de compresseur et sur des pièces de liaison d'une turbine à gaz. Les avantages principaux de l'invention résident dans le fait que grâce au procédé de l'invention il a été créé une couche de protection pour des pièces de construction en titane, qui empêche de manière efficace la formation de couches de diffusion d'oxygène aux températures élevées Cette couche de protection présente une grande adhérence sur la pièce de construction et ne présente pas de tendance à l'éclatement, même lors de chocs thermiques importants. Elle est non seulement appropriée à empêcher de manière efficace la fragilisation par l'oxygène et la corrosion aux températures élevées, de pièces de construction en titane, mais également d'autres substrats. Un autre avantage considérable réside dans le fait que la couche de protection conforme à l'invention adhère de manière durable sur le substrat en Ti et peut donc être mise en oeuvre, par exemple dans un groupe moto-propulseur à turbine, en guise de protection durable contre l'oxydation. Un autre avantage réside dans le fait que lors de l'application du procédé conforme à l'invention, il ne se manifeste aucune réduction sensible de la résistance mécanique, et que par ailleurs, pratiquement aucune influence néfaste sur la pièce de construction n'est à redouter L'application du vernis par pulvérisation, aspersion ou application au pinceau est techniquement peu complexe, et le séchage à l'air conduit, par rapport à des procédés classiques, à une simplification de processus et à une réduction des coûts supplémentaires. Selon une exécution avantageuse de l'invention, le vernis au verre soluble se compose de 30 à 50 % en poids de verre soluble de Na, le reste étant de l'eau. Selon un développement avantageux de l'invention, le vernis au verre soluble renferme 36 à 42 % de verre soluble de Na, ce qui conduit à une force d'adhérence particulièrement élevée. Selon l'invention, la couche de vernis présente une épaisseur de 5 à 80 Lm et de préférence de à 40 gm. Pour obtenir un bon état de surface, la grosseur de grain des particules de poudre de Si rajoutée dans une proportion d'environ 1:1, doit être inférieure à 20 gm, 60 à 80 % des particules de poudre de Si devant présenter une grosseur de grain inférieure à Am Cela permet d'éviter un état de surface rugueux, et le vernis se travaille et s'applique plus facilement. Une autre exécution de l'invention prévoit d'additionner, à la place de la poudre de silicium seul, une poudre d'alliage Si-Al Alors que la poudre d'Al ne présente pas à elle seule les effets positifs de la poudre de Si, il a été constaté de manière surprenante, que la poudre d'alliage Si-Al était adaptée, en tant que produit d'addition, au problème posé La poudre d'alliage doit renfermer pour cela de l'aluminium et du silicium dans un rapport de poids allant de 3:1 à 1:10, de préférence égal à 1:1, la grosseur de grain des particules devant correspondre à celle de la poudre de silicium seul. Conformément à l'invention, l'application de la couche de vernis au verre soluble sur la surface de la pièce de construction, se fait par pulvérisation ou au pinceau, la surface de la pièce de construction ayant été nettoyée et séchée par rayonnement avant le revêtement Le vernis une fois appliqué sur la surface de la pièce de construction est séché à température ambiante pendant une durée de 0,5 à 2 heures. Un exemple de réalisation va maintenant être décrit plus en détail. Un vernis est réalisé à partir de 40 % en poids de verre soluble de Na et de 60 % d'eau En guise de pigment on a additionné au vernis, de la poudre de Si dans un rapport de poids de 1:1, la grosseur de grain des particules de la poudre étant pour 80 % inférieure à pm, le reste présentant une grosseur de grain inférieure à 20 Am. La surface d'une pièce de construction en IMI 834 ( 5,8 % Al, 4,5 % Sn, 4 % Zr, 0,7 % No, 0,5 % Mo, 0,4 % Si, 0,06 %C, reste titane) est nettoyée à fond et séchée par rayonnement Ensuite, elle est peinte à l'aide du vernis au verre soluble, avec une épaisseur de couche d'environ 35 Hm. Le vernis est séché à l'air pendant environ 30 minutes Ensuite, la pièce de construction est soumise à un traitement thermique à l'air, à une température de 6000 C, pendant 1000 h. Il n'est apparu aucune oxydation, fragilisation par l'oxygène ou réaction métallique. Après le traitement thermique, la couche de vernis présentait toujours une bonne adhérence. REVENDICATIONS. 1 Couche de protection destinée à empêcher la fragilisation par l'oxygène, de pièces de construction en titane, à des températures élevées, sous atmosphère renfermant de l'oxygène, caractérisée en ce qu'elle se compose d'un vernis au verre soluble de Na et d'une poudre de silicium, le rapport de poids de la poudre de Si au vernis au verre soluble allant de 1:0,8 à 1:1,4. 2 Couche de protection selon la revendication 1, caractérisée en ce que le vernis au verre soluble se compose de 30 à 50 % en poids de verre soluble de Na, le reste étant de l'eau. 3 Couche de protection selon la revendication 2, caractérisée en ce que le vernis au verre soluble renferme 36 à 42 % de verre soluble de Na. 4 Couche de protection selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche de vernis présente une épaisseur de 5 à 80 gm et de préférence de 20 à gm. Couche de protection selon la revendication 1, caractérisée en ce que la poudre de Si présente des particules d'une grosseur de grain inférieure à 20 Hm. 6 Couche de protection selon la revendication , caractérisée en ce qu'au moins 60 %, de préférence 80 %, de la poudre de Si présente des particules d'une grosseur de grain inférieure à 5 pm. 7 Couche de protection selon la revendication 1, caractérisée en ce que de l'aluminium est allié à la poudre de Si. 8 Couche de protection selon la revendication 7, caractérisée en ce que l'alliage Si-Al renferme du silicium et de l'aluminium selon un rapport de poids de 1:3 à 10:1, de préférence 1:1. 9 Procédé de revêtement d'une pièce de construction en titane avec une couche de protection selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un vernis au verre soluble de sodium est mélangé à une poudre de Si dans un rapport de poids de la poudre de Si au vernis au verre soluble allant de 1:0,8 à 1:1,4, ce mélange étant appliqué sur la pièce de construction et séché à température ambiante. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'application de la couche de vernis au verre soluble sur la surface de la pièce de construction, se fait par pulvérisation ou au pinceau. 11 Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la surface de la pièce de construction est nettoyée et séchée par rayonnement, avant le revêtement. 12 Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le vernis appliqué sur la surface de la pièce de construction est séché à température ambiante pendant une durée de 0,5 à 2 heures. 13 Application de la couche de protection selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en que cette couche est appliquée sur des aubes de compresseur, sur un carter de compresseur et sur des pièces de liaison d'une turbine à gaz.