Brevet FR2663342A1 — publié le 19911220

Revêtement de protection d'une pièce métallique en alliage de titane et procédé de dépôt. Dans de nombreuses applications, il est nécessaire de protéger des zones limitées d'éléments ou de pièces métalliques en alliage de titane contre diverses formes de dégradation (usure, fretting, érosion). Le revêtement selon l'invention est caractérisé en ce qu'il est constitué par une matrice métallique en alliage de titane dans laquelle sont incorporés d'une part des grains sphériques de carbure de titane de granulomètrie inférieure à 50 microns et de préférence comprise entre 10 et 30 microns et de concentration comprise entre 10 et 70 % en poids, de préférence de 15% à 40%, et d'autre part un réseau secondaire très fin de précipités de carbure de titane, les grains sphériques étant formés de particules élémentaires agglomérées. La matrice ne présente pas une résistance suffisante à la dégradation mais possède des propriétés de ductilité, de ténacité et de résistance à la corrosion utiles pour la bonne tenue du composite. L'addition bien répartie de grains de carbure de titane permet d'atteindre un bon niveau de résistance à la dégradation. Pour limiter les déformations de l'ensemble pièce + revêtement, il est important de mettre en oeuvre des matériaux qui possèdent un comportement aussi voisin que possible dans le domaine de température concernee. - dilatation thermique identique (même coefficient). - pas de transformations de structure engendrant des phénomènes dilatomètriques non linéaires. A cet effet, on utilise comme alliage au titane de la matrice le même alliage que celui de la pièce qui est en général un alliage à structure Alpha-Bêta mais peut également être à structure Bêta. On peut également utiliser, un alliage voisin mais de même caractéristiques dilatomètriques ayant une résistance supérieure par exemple alliage de titane à structure Bêta stable. L'alliage de la matrice comporte de préférence une teneur en oxygène inférieure à 2000 ppm. Il comporte également de préférence des teneurs inférieures à 200 ppm pour l'azote et l'hydrogène. De préférence le carbure de titane comporte 100 ppm au maximum de carbone libre ou non dissous. La présente invention concerne également un procédé de dépôt d'un revêtement sur la surface d'une pièce en alliage de titane caractérisé en ce qu'on dépose sur la surface un mélange de poudres constitué d'une part d'alliage de titane présentant une granulomètrie comprise entre 30 et 150 microns et d'autre part de grains sphériques de carbure de titane de granulomètrie inférieure à 50 microns et de préférence comprise entre 10 et 30 microns et de concentration comprise entre 10 et 70 % en poids et de préférence comprise entre 15% et 40%, tandis que la surface et le mélange de poudres est chauffé en utilisant une source de chaleur à forte densité d'énergie, puis refroidi pour constituer une matrice métallique revêtant la pièce. Selon une réalisation préférentielle de ce procédé, on utilise comme source de chaleur un faisceau laser déplacé sur la pièce à une vitesse déterminée et le mélange de poudres d'alliage de titane et de carbure de titane est injecté par un flux gazeux porteur sur la pièce dans l'axe du faisceau laser. Pour protéger la zone de la pièce frappée par le faisceau laser, on projette un gaz neutre sur cette zone. Enfin, on peut amener de l'azote gazeux dans la zone de solidification de dépôt en arrière de la zone de la pièce frappée par le faisceau laser pour durcir superficiellement la matrice métallique. La présente invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui va suivre dans laquelle la figure unique représente le dispositif à faisceau laser utilisé pour le dépôt du revêtement de protection selon l'invention. On utilise un faisceau laser 1 dont la longueur d'onde est comprise entre 0,1 et 11 microns qui est focalisé sur la pièce en alliage de titane 2 à traiter avec une densité suffisante. Par exemple, on utilisera un laser C02 émettant à 10,6 microns, le faisceau est focalisé par une lentille convexe 3 transparente à cette longueur d'onde (ou par un miroir optique) de manière à obtenir une tache de diamètre 4 à 6 mm sur la pièce 2 pour une puissance laser, comprise entre 2500 et 3000W. Le faisceau 1 est déplacé sur la pièce à une vitesse déterminée qui constitue un des paramètres principaux définissant l'épaisseur du revêtement. Pendant l'irradiation laser, on injecte un mélange de poudres d'alliage de titane à structure Bêta stable et de carbure de titane par un injecteur 6 dans la zone 5 d'interaction entre le faisceau et la surface de la pièce à traiter. Le carbure de titane est sous forme de grains sphériques de particules élémentaires agglomérées submicroniques. La poudre mélangée à un gaz porteur passe dans le canal de l'injecteur 6 et est projetée dans l'axe de déplacement du faisceau 1 et son débit est réglé en fonction de l'épaisseur du revêtement 4 visé. Pour protéger la zone d'interaction, on projette un gaz neutre tout autour de cette zone 5 par des orifices 7. De plus, on projette un gaz neutre par une buse 8 autour du faisceau 1 vers cette zone 5 ce qui a pour effet de protéger la lentille 3. Le mélange de poudres comporte d'une part l'alliage de titane présentant une granulomètrie comprise entre 30 et 150 microns et d'autre part le carbure de titane de granulomètrie comprise entre 10 et 30 microns et de concentration comprise entre 10 et 70 % en poids. De préférence on prend une concentration comprise entre 15% et 40%, l'optimum étant obtenu pour une concentration de 20%. Par ailleurs, l'alliage de titane comporte des teneurs en oxygène de préférence inférieures à 2000 ppm et des teneurs en azote et hydrogène de préférence inférieures à 200 ppm. La phase TiC comporte de préférence moins de 100 ppm de carbone libre ou non dissous. Lors de l'injection du mélange de poudres dans le faisceau 1, l'alliage de titane injecté est entièrement fondu et une partie de la surface des grains de carbure de titane est fondue et dissoute dans le bain liquide. Lors de la solidification et du refroidissement du dépôt qui s'opèrent rapidement, on obtient un mélange homogène constitué d'une matrice métallique d'alliage de titane contenant d'une part les grains initiaux de carbure de titane partiellement affectées par la fusion et d'autre part un réseau secondaire très fin de précipités de carbure de titane qui se forme à partir du bain liquide et qui assure un durcissement de la matrice. En continu avec l'injection de poudres, on peut réaliser un apport gazeux en azote projeté par des orifices 9 dans la zone de solidification du dépôt en arrière de la zone d'interaction 5 où se trouve le bain fondu. Cet apport en azote permet une nitruration en surface assurant un durcissement superficiel supplémentaire de la matrice métallique. Revendications: 1) Revêtement de protection de pièce en alliage de titane, caractérisé en ce qu'il est constitué par une matrice métallique en alliage de titane dans laquelle sont incorporées d'une part des particules agglomérées sphériques de carbure de titane de granulomètrie inférieure à 50 microns et de préférence comprise entre 10 et 30 microns et de concentration comprise entre 10 et 70 % en poids et de préférence comprise entre 15% et 40% et d'autre part un réseau secondaire très fin de précipités de carbure de titane. 2) Revêtement selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'alliage de titane de la matrice est identique à l'alliage de la pièce. 3) Revêtement selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'alliage de titane de la matrice est un alliage présentant une résistance à l'usure élevée tel qu'un alliage à structure Bêta stable. 4) Revêtement selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'alliage de titane de la matrice comporte des teneurs en oxygène inférieures à 2000 ppm. 5) Revêtement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la phase en carbure de titane comporte moins de 100 ppm de carbone libre ou non dissous. 6) Revêtement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la matrice comporte en surface du nitrure de titane. 7) Procédé de dépôt d'un revêtement sur la surface d'une pièce en alliage de titane, caractérisé en ce qu'on dépose sur la surface un mélange de poudres constitué d'une part d'alliage de titane présentant une granulomètrie comprise entre 30 et 150 microns et d'autre part de carbure de titane de granulomètrie inférieure à 50 microns et de préférence comprise entre 10 et 30 microns et de concentration comprise entre 10 et 70 % en poids tandis, que la surface et le mélange de poudres est chauffé en utilisant une source de chaleur à forte densité d'énergie, puis refroidi pour constituer une matrice métallique revêtant la pièce. 8) Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'alliage de titane du mélange de poudre, est le même que celui de la pièce à revêtir. 9) Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'alliage de titane du mélange de poudres présente une résistance à l'usure élevée tel qu un alliage à structure Bêta stable. 10) Procédé selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que l'alliage de titane du mélange de poudres comporte des teneurs en oxygène inférieures, à 2000 ppm et des teneurs en azote et en hydrogène inférieures à 200 ppm. 11) Procédé selon l'une des revendications, caractérisé en ce que la poudre de carbure de titane comporte moins de 100 ppm de carbone libre ou non dissous. 12) Procédé selon l'une des revendications 7 à 11, caractérisé en ce qu'on utilise comme source de chaleur un faisceau laser (1) déplacé sur la pièce (2) à une vitesse déterminée et en ce que le mélange de poudres d'alliage de titane et de carbure de titane est injecté par un flux gazeux porteur sur la pièce (2) dans l'axe du faisceau laser (1). 13) Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'on projette un gaz neutre pour protéger la zone (5) de la pièce frappée par le faisceau laser (1). 14) Procédé selon une des revendications 12 ou 13, caractérisé en ce qu'on amène de l'azote gazeux dans la zone de solidification de dépôt en arrière de la zone (5) de la pièce frappée par le faisceau laser (1) pour durcir superficiellement la matrice métallique.