Brevet FR2649125A1 — publié le 19910104

La présente invention concerne l'industrie des turbomoteurs et elle est plus particulièrement relative à des procédés pour la fabrication de composants d.'une structure d'étanchéité à l'égard des gaz pour de tels turbomoteurs. L'invention est plus particulièrement relative à des procédés de dépôt d'une couche ayant des propriétés abrasives sur la surface d'ailettes en alliage de titane, et ce en utilisant des techniques de plaquage électrolytique. Dans les sections du compresseur et de la turbine de turbomoteurs, des ailettes tournent autour de l'axe du moteur. Les bouts des ailettes passent à proximité de la paroi interne du carter du moteur, en frottant quelquefois contre cette paroi. Pour éviter une usure excessive du bout des ailettes, des joints d'étanchéité érodables sont quelquefois fixés à la face interne de la paroi du carter de telle façon que, lorsqu'un tel frottement se produit, les joints d'étanchéité se trouvent être usés à la place des bouts des ailettes. Pour étendre la durée de vie des bouts d'ailettes frottant contre des joints d'étanchéité érodables, dans la section de la turbine du moteur, on a quelquefois prévu des couches abrasives sur la surface du bout des ailettes. On peut se reporter, par exemple, au brevet U.S. 4 802 828 et aux brevets cités dans ce dernier. Ce brevet décrit plusieurs techniques pour obtenir la couche abrasive sur le bout des ailettes, ces techniques comprenant les techniques de la métallurgie des poudres, les techniques de pulvérisation par plasma et des techniques de plaquage électrolytique. Les substrats auxquels s'appliquent les couches abrasives du type décrit dans le brevet précité, sont des superalliages à haute résistance, tels que ceux à base de nickel et de cobalt. L'épaisseur de telles couches est généralement comprise dans la gamme allant d'environ 0,4 à environ 2,5 millimètres. L'industrie des turbomoteurs a reconnu l'utilité pratique des types précités de couches abrasives dans la section de la turbine et elle cherche à appliquer cette technique à des composants utilisés dans d'autres sections du moteur. La section du compresseur est l'une de ces sections et de nouvelles techniques pour l'application de couches abrasives sur des composants d'un compresseur sont exigées. L'invention concerne l'un de ces procédés. - Suivant l'invention on dépose des couches successives de nickel sur la surface du bout d'un composant d'un moteur en alliage de titane. Le procédé suivant l'invention comprend les étapes consistant à appliquer une première couche de nickel, ayant une épaisseur d'environ 12-18 micromètres, directement sur la surface du bout d'une ailette, à appliquer une deuxième couche de nickel sur la première couche de nickel, cette deuxième couche ayant une épaisseur inférieure à environ 1 micromètre, à déposer électrolytiquement une troisième couche de nickel sur la deuxième couche de nickel, et tandis que la troisième couche est en train d'être déposée électrolytiquement, à immerger le bout de l'ailette dans une bouillie d'une solution de dépôt électrolytique et de particules abrasives non conductrice de l'électricité, disposée sur une membrane perméable-au courant électrique et à la solution de dépôt électrolytique, si bien que les particules dans la bouillie sont piégées dans la troisième couche par la poursuite du dépôt électrolytique du nickel, à appliquer une quatrième couche de nickel sur la troisième couche de nickel, de telle façon que l'épaisseur combinée des troisième et quatrième couches de nickel soit comprise entre environ 50 et 95% de la dimension moyenne des particules, et à traiter thermiquement le composant revêtu électrolytiquement. Les composants fabriqués par le procédé suivant l'invention présentent d'excellentes propriétés abrasives et ils peuvent être utilisés dans la section du compresseur de turbomoteurs modernes. On décrira ci-après, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel: La figure 1 est une vue simplifiée montrant la relation préférée entre le bout drune ailette et une bouillie de particules lors de la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention. La figure 2 est une vue simplifiée montrant un appareil utilisable pour la mise en oeuvre de l'invention. D'une manière générale la présente invention concerne un procédé de fabrication d'une couche présentant des propriétés abrasives sur la surface de composants rotatifs utilisés dans la section du compresseur d'une turbomachine. L'invention peut s'appliquer tout particulièrement à la fabrication de couches abrasives sur des alliages à base de titane du type utilisé dans l'industrie des turbomoteurs. Un point essentiel de la présente invention réside dans la combinaison d'un ensemble particulier d'étapes pour former la couche abrasive. La combinaison de ces étapes fournit une structure à plusieurs couches, chaque couche étant liée chimiquement à la couche qui lui est adjacente. Un autre point essentiel de l'invention est que la couche composite est relativement mince comparativement aux couches utilisées dans la technique antérieure. Des couches minces réduisent au minimum toute dégradation des propriétés de fatigue, sous un nombre de cycles élevés, du substrat en alliage de titane. Un troisième aspect de l'invention est que les particules abrasives dans la couche formée par l'invention sont piégées dans la couche métallique déposée électrolv-iquement et qu'elles s'étendent au-dessus de la surface s.périeure de la matrice déposée électrolytiquement. La matrice n'encapsule pas les particules, ce qui rend ces particules beaucoup plus abrasives. Le processus utilisé pour appliquer la couche abrasive sur un substrat en alliage à base de titane comprend un certain nombre d'étapes liées entre elles. Puisque plusieurs des étapes entraînent -la mise en contact du substrat avec des réactifs chimiques, les surfaces qui doivent être protégées à l'égard de tels réactifs chimiques, sont tout d'abord protégées avec de la cire ou d'autres -20 masques amovibles. Les surfaces sur lesquelles doit être appliquée la couche abrasive, doivent être tout d'abord nettoyées. Les.hommes de l'art connaissent bien des agents de nettoyage utilisables à cet effet. Un agent d'attaque acide particulièrement utilisable pour le nettoyage des surfaces devant être revêtues électrolytiquement est constitué par une solution contenant environ 5% en volume d'acide chlorhydrique à 70% et 95% en volume d'acide fluorhydrique à 37%. Une fois que la -surface se trouve être propre, on dépose électrolytiquement sur cette surface une mince couche de nickel sensiblement pur. L'épaisseur de la première couche de nickel est comprise entre environ 12 et 18 micromètres, et la résistance de la liaison, traitée thermiquement, entre la couche de nickel et la surface en titane est d'au moins environ 47,5 MPa. On dépose ensuite, sur la première couche de nickel, une deuxième couche de nickel (barrage en nickel). La surface de la première couche doit être activée, en utilisant un agent d'attaque acide conventionnel, avant l'application de la deuxième couche de nickel. Cette deuxième couche de nickel est appliquée avec une épaisseur inférieure à environ 1 micromètre. Le rôle de la couche de barrage en nickel est de favoriser la formation d'une troisième de nickel (appliquée d'une manière décrite ci-dessous) ayant une intégrité élevée. On *dépose la troisième couche de nickel par un i5 procédé qui comprend deux étapes liées l'une à l'autre. En premier lieu on immerge le composant en titane nickelé dans une solution de nickelage pendant une période de temps suffisante pour commencer le dépôt électrolytique de nickel sur la deuxième couche de nickel. Une fois qu'un tel dépôt a commencé, on plonge le composant en titane dans une bouillie d'une solution de dépôt électrolytique et de particules, de préférence dans la même solution de dépôt électrolytique, ainsi qu'il est illustré sur la figure 1. Sur cette figure l'ailette est indiquée par la référence 12 et les particules par la référence 20. Le bout de l'ailette est indiqué par la référence 15. Les particules sont non conductrices de l'électricité et la gamme de dimensions des grains abrasifs est étroite; de tels types de particules comportent, sans que cela soit limitatif, l'oxyde d'aluirminium, le nitrure de bore cubique et le carbure de silicium. Des particules conductrices de l'électricité, telles que des particules de SiAlON, ne conviennent pas pour la mise en oeuvre de l'invention. Les particules doivent avoir une texture superficielle irrégulière afin de rendre maximale leurs propriétés abrasives. Tandis que le bout de l'ailette se trouve être plongé dans la bouillie, le nickel continue à se déposer et à se développer entre les particules en contact avec la surface du bout de l'ailette, en piègeant ainsi les particules dans la troisième couche de nickel. Par suite de la nature dentelée irrégulière des particules, celles-ci sont piégées physiquement contre.le bout de l'ailette par suite du dépôt de la troisième couche de nickel. Il n'y a pas de liaison chimique établie entre les particules et le bout de l'ailette; au contraire il existe uniquement une liaison physique qui maintient les particules à l'intérieur de la couche de nickel déposée électrolytiquement sur l'ailette. L'appareil préféré pour le dépôt de la troisième couche de nickel sur le bout de l'ailette et pour pièger les particules dans la troisième couche est représenté sur la figure 2. Un bac de dépôt électrolytique du type conventionnel utilisé dans l'industrie est indiqué par la référence 10. Le composant 12 devant être revêtu est représenté suspendu à l'intérieur du bac 10, au moyen d'un support 11. La solution de dépôt électrolytique est indiquée 25. par la référence 28. Ainsi qu'il est représenté sur la figure 2 le support 11 est mobile dans la direction verticale entre une première position de dépôt électrolytique Pl et une seconde position de dépôt électrolytique P2. Une enceinte de dépôt électrolytique 14, définie par des parois latérales 16 et un fond 18, est suspendue dans le bac au moyen d'un support 19. Des particules abrasives 20 reposent sur le fond 18 de l'enceinte 14, par suite de leur densité. La combinaison des particules 20 et de la solution de dépôt électrolytique 28 forment une bouillie à l'intérieur de l'enceinte 14. Pur des raisons qui apparaitront plus clairement ci-après le fond 18 de l'enceinte de dépôt électrolytique 14 est perméable pour permettre le passage de la solution de dépôt électrolytique et du courant électrique. Une anode pleine en nickel 24 est située en dessous du fond 18 de l'enceinte de dépôt électrolytique 14. L'anode 24 et le composant 12 sont connectés tous les deux électriquement respectivement aux deux rôles d'une source d'alimentation électrique conventionnelle 26. La solution de dépôt électrolytique dans le bac 10 est indiquée par la référence 28. Au début du processus d'application de la troisième couche de nickel, le support 11 se trouve dans la première position de dépôt électrolytique P11, comme il est représenté en trait plein sur la figure 2. Dans cette position le bout de l'ailette se trouve placé au-dessus de la bouillie de particules. Après que la troisième couche de nickel a commencé à se déposer, le support 11 est déplacé vers le bas, pour venir dans la seconde position de dépôt électrolytique P2 représentée en tirets, si bien que le bout de l'ailette se trouve être immergé dans la bouillie de particules, comme il est représenté d'une façon plus détaillé sur la figure 1. Du fait que le courant électrique peut passer à travers le fond perméable 18, du nickel continue à se déposer sur la surface du bout 15 de l'ailette et 12 ce nickel piège les particules qui sont directement en contact avec le bout 15 de l'ailette 12 à l'intérieur de la troisième couche de nickel. L'épaisseur finale de cette troisième couche de nickel est inférieur, à la dimension moyenne des particules piégées dans cette couche et par conséquent ces particules font saillie à travers la surface de la troisième couche de nickel. Comme il a été mentionné précédemment, les particules sont piégées à l'intérieur de la troisième couche de nickel parce qu'elles ne sont pas conductrices de l'électricité. Le fond perméable 18 permet d'obtenir un dépÈt plus efficace de la troisième couche de nickel. Plus particulièrement on obtient,' en combinaison avec la mise en position d'une anode 24 dimensionnée et placée d'une manière appropriée directement en dessous du fond 18, une répartition uniforme de la densité de courant, ce qui se traduit par un dép8t plus uniforme. En outre les ions nickel se trouvant dans la solution de dépôt électrolytique, ainsi que ceux produits par la dissolution de l'anode, peuvent se déposer aisément sur le bout de l'ailette. Après qu'une épaisseur suffisante de la troisième couche de nickel a été déposée, afin de fixer les particules en place, le bout de l'ailette est dégagé hors de la bouillie et on dépose électrolytiquement une quatrième couche de nickel par-dessus la troisième couche. De préférence l'ailette 12 est simplement ramenée à la première position de dép8t électrolytique P1 (figure 2). La quatrième couche de nickel assure une fixation plus sûre des particules au composant. L'épaisseur combinée des troisième et quatrième couches de nickel ne doit pas être supérieure à environ 95% de la dimension moyenne des particules mais elle doit être au moins supérieure à environ 50% de cette dimension. De préférence l'épaisseur combinée des troisième et quatrième couches est comprise entre environ 1/2 et 2/3 de la dimension moyenne des particules. Des couches abrasives appliquées de la façon décrite ci-dessus se sont révélées avoir d'excellentes propriétés abrasives et elles peuvent être utilisées dans des structures de joint d'étanchéité à l'égard des gaz dans des turbomoteurs. Leur mince section ajoute un poids négligeable à l'ailette et elle n'affecte pas d'une manière notable la résistance à la fatigue. A titre d'exemple de l'invention on a appliqué une couche abrasive sur la surface du bout d'une ailette utilisée dans la section du compresseur d'un turbomoteur moderne. L'ailette était une ailette forgée dont la composition était, avec des pourcentages en poids, Ti-8As-lV-lMo. Le bout de l'ailette mesurait environ 2,5 cm du bord d'attaque au bord de fuite et l'épaisseur moyenne du bout de l'ailette (mesurée de la paroi concave à la paroi convexe) était d'environ lmm à l'endroit le plus épais. La portion constituant le profil aérodynamique de l'ailette a été masquée au moyen de cire si bien que seule la portion du bout de l'ailette a été exposée. Le bout de l'ailette exposé a été soumis à un sablage humide au moyen de grains de dioxyde de silicium, il a été rincé dans l'eau puis immergé dans une solution contenant (en volume) 85% de HC1 qualité réactif et 5% de HF à 70% pendant environ 15 secondes. L'ailette a été rincée, nettoyée par voie ultrasonore pendant 10 secondes dans de l'eau désionisée, puis attaquée anodiquement pendant environ 6 minutes avec une densité de courant de 1,4 ampaires par mètre carré (A/m2) dans une solution contenant (en volume) 13% de HF, 83% d'acide acétique glacial et de l'eau pour le reste. On a exécuté une autre opération de rinçage qui a été suivie d'un dépôt électrolytique cathodique de nickel dans un bain conventionnel de sulfamate de nickel pendant 30 minutes, avec une densité de courant d'environ 2,8 A/m2. L'ailette a été rincée et traitée thermiquement pendant environ 4 heures à 400 C dans un four à circulation d'air. Le traitement thermique s'est traduit par une résistance de liaison améliorés entre le dépôt et le substrat. On a ensuite remasqué la portion constituant le profilé aérodynamique de l'ailette au moyen d'une combinaison d'un composé de protection à base- de polymère, on a légèrement sablé le bout de l'ailette et on l'a nettoyé avec une poudre à poncer sèche et humide. Après un très léger sablage humide on a attaqué anodiquement la couche de nickel, pendant environ 15 secondes, avec une densité de courant de 2,8 A/m2, dans une solution de sel acide conventionnelle. On a ensuite rincé l'ailette et on l'a activée de nouveau en la plongeant dans une solution de HC1 à 50% en volume. Après un nouveau rinçage on a plongé le bout de l'ailette dans une solution de nickel de barrage conventionnelle et on l'a revêtue cathodiquement pendant 2 minutes sous une tension d'environ 1,25 volts. On a de nouveau rincé l'ailette et on l'a placée dans un bac de dépôt électrolytique contenant une solution de sulfamate de nickel. Dans le bac se trouvait une enceinte de dépôt électrolytique fabriquée en chlorure de polyvinyle. Le fond de l'enceinte était réalisé en treillis de polyethylene. L'enceinte de dépôt électrolytique -contenait des particules 264912S ill de nitrure de bore cubique qui, en combinaison avec la solution de dépôt électrolytique, produisait une bouillie ayant une épaisseur d'environ 1-2 cm' sur le treillis. La dimension moyenne des particules allait d'environ 50 à environ 100 micromètres. Une fois le courant électrique établi, on a plongé en premier lieu l'ailette dans la solution de sulfamate de nickel et on a amorcé le dépôt électrolytique sous une tension d'environ 0,8 volt. Après environ 2 minutes, on a plongé l'ailette dans la bouillie et on a poursuivi le dépôt électrolytique. Après environ 15 minutes, on a déplacé légèrement l'ailette dans la bouillie, afin de déloger des bulles de gaz éventuelles piégées sur la surface du bout de l'ailette et de permettre un meilleur contact avec la surface -entrain d'être revêtue. Le dépôt électrolytique s'est poursuivi pendant une période additionnelle de 30 minutes. On a ensuite extrait le bout de l'ailette du bac contenant le sulfamate de nickel. On a éliminé la solution de dépôt électrolytique et les particules adhérant librement par rinçage du bout de l'ailette dans de l'eau désionisée. On a ensuite plongé le bout de l'ailette dans de l'acide chlorhydrique à 50% en volume afin de maintenir la surface de nickel active et on l'a réintroduit en suite dans une solution de sulfamate de nickel et on a effectué un dépôt électrolytique cathodique pendant une autre période de 45 minutes avec une densité de courant de 2,8 A/m A la fin de la procédure précitée, on a obtenu un bout d'ailette présentant de bonnes propriétés abrasives. L'épaisseur combinée des troisième et quatrième couches de nickel était comprise entre environ 1/2 et 2/3 de la dimension moyenne des particules. Autrement dit la majorité des particules s'étendaient au-dessus de la surface de la quatrième et dernière couche de nickel et n'étaient pas encapsulées par le nickel déposé électrolytiquement. Un examen métallographique a révélé que les particules étaient piégées dans les troisième et quatrième couches et qu'il y avait aucune séparation entre des couches quelconques parmi les couches de- nickel individuelles ou entre la première couche et le substrat en alliage de titane. REVENDICATIONS 1.- Procédé pour produire une couche abrasive sur le bout (15) d'une ailette (12) d'un turbomoteur réalisée en alliage de titane, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant: (a) à déposer électrolytiquement une première couche de nickel sur le bout (15) de l'ailette (12), cette première couche de nickel ayant une épaisseur comprise entre environ 12 et 18 micromètres, (b) à déposer électrolytiquement une deuxième couche de nickel sur la première couche de nickel, cette deuxième couche de nickel ayant une épaisseur d'environ 1 micromètre ou inférieure, (c) à déposer électrolytiquement une troisième couche de nickel sur la deuxième couche de nickel et à plonger ensuite le bout (15) de l'ailette (12) dans une bouillie d'une solution de dépôt électrolytique (28) et de particules (20) non conductrices de l'électricité, la bouillie étant présente sur une membrane (18) perméable au courant électrique et à la solution de dépôt électrolytique (28), et à poursuivre le dépôt électrolytique de la troisième couche de nickel, (d) à déposer électrolytiquement une quatrième couche de nickel sur la troisième couche de nickel, l'épaisseur combinée des troisième et quatrième couches de nickel étant inférieure à environ 95% de la dimension moyenne des particules noyées dans ces couches et supérieure à environ % de la dimension moyenne des particules, et (e) à traiter thermiquement l'ailette à une température appropriée pour provoquer une diffusion entre la 14 2649125 première couche de nickel et le bout de l'ailette. 2.- Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que les particules sont des particules de nitrure de bore cubique ayant une surface irrégulière.