Brevet FR2677998A1 — publié le 19921224

i "Procédé et appareillage pour réaliser une couche par diffusion de gaz, à travers un puits d'aluminium" L'invention concerne un procédé et un dispositif pour recouvrir d'une couche d'aluminium par diffusion de gaz des surfaces externes et internes d'éléments de construction. Par le document DE-A 2 805 370, on connaît un procédé et une couche de calorisation ( traitement à l'alite) des alésages intérieurs des aubes de turbines L'inconvénient de cette couche de calorisation est qu'elle est déposée à basse température entre 7000 C et 800 *C, de sorte que la diffusion d'aluminium dans la surface des pièces ne peut avoir lieu Dans ce procédé, pour la calorisation15 de la pièce, un gaz porteur comme l'hydrogène est envoyé à travers du trihalogénure d'aluminium, ensuite le trihalogènure d'aluminium est transformé au-dessus de 9000 C en un sous halogène d'aluminium par un bain d'aluminium liquide ou d'alliage d'aluminium liquides.20 Ensuite de l'aluminium pur est déposé dans les alésages internes de la pièce. L'inconvénient majeur de ce procçiée-st qu'à l'intérieur du réacteur de précipitation, on doit former de l'aluminium liquide ou des alliages25 d'aluminium liquides, pour transformer le trihalogénure d'aluminium en un sous halogénure d'aluminium En outre, on ne forme pas de monohalogènure d'aluminium, mais il reste une partie importante, d'au moins 20 % de trihalogénure dans le mélange, ce qui réduit le taux de dépôt d'aluminium. En outre, ce procédé a l'inconvénient d'exiger le montage de creusets dans le réacteur de précipitation. En outre, l'accueil et la formation d'un monohalogénure d'aluminium sont limités par le fait que la seule surface de réaction mise à disposition est la surface limitée de fusion du creuset. Par le document FR-C 1 433 497, on connaît un dépôt en phase gazeuse d'aluminium, qui opère avec un puits d'aluminium constitué de particules d'aluminium ou de particules d'alliages d'aluminium et a recours à une température basse de puits d'aluminium de ce type, de sorte qu'elle ne met pas en oeuvre une formation en fusion du puits d'aluminium Pour former des halogénures d'aluminium, on dirige un gaz halogéné à travers le puits d'aluminium Ce procédé a l'inconvénient qu'en raison de la basse température du puits, on ne peut pas obtenir des taux de dépôt élevés. Par le document US-A 4 132 816, on sait qu'en ajoutant des activateurs, comme des halogénures alcalins ou alcalino-terreux, ou des sels complexes d'aluminium aux puits d'aluminium, les taux de précipitation peuvent être augmentés On réduit de façon désavantageuse par ces ajouts la pureté de la couche de calorisation, d'autant plus qu'à côté des activateurs des oxydes comme l'oxyde d'aluminium sont mélangés dans le matériau despui-ts. Le but de l'invention est alors de proposer un procédé et un dispositif pour recouvrir par diffusion de gaz des surfaces externes et internes d'éléments de construction, en évitant d'utiliser des puits d'aluminium ou d'alliage d'aluminium rendus liquides par fusion, et grâce auxquels on peut obtenir un taux de dépôt élevé en même temps qu'une pureté élevée de la couche en évitant, toutefois, des inclusions d'oxydes, alcalines ou alcalino-terreuses dans la couche. Ce problème est résolu par l'obtention d'un mélange gazeux de gaz halogéné, d'hydrogène, de gaz de monohalogènure d'aluminium et de parties négligeables de gaz de trihalogènure d'aluminium en faisant passer du gaz halogène et de l'hydrogène à travers des particules chauffables de composés métalliques d'aluminium comme puits d'aluminium et en amenant le mélange gazeux sur les faces extérieures et intérieures à recouvrir de l'élément de construction. Ce procédé a l'avantage, qu'en utilisant des composés d'aluminium métalliques à point de fusion élevé, le puits d'aluminium en particules chauffables ne forme pas une masse fondue, même si la température du puits se situe essentiellement au-dessus de la température, à laquelle commence une diffusion mesurable d'aluminium dans la surface de la pièce de construction En outre, il en résulte l'autre avantage, non seulement d'effectuer une calorisation des forces externes et internes de l'élément, mais aussi en même temps de réaliser une diffusion limitée d'aluminium dans la surface de l'élément même. En outre, en utilisant des composés d'aluminium métalliques, une température élevée du puits est rendue possible, de sorte qu'on forme avantageusement_-des monohalogènures d'aluminium en concentration élevée au niveau du puits grâce au gaz halogéné passant à travers et la proportion de trihalogènures d'aluminium devient négligeable Ceci est en liaison avec l'autre avantage d'obtenir un taux de dépôt élevé d'aluminium sur les faces extérieures et intérieures des pièces de construction. Un développement préférentiel de l'invention consiste en ce que le mélange gazeux est composé de 3 à 6 parties de monohalogénures d'aluminium et de 1 à 3 parties de gaz halogéné et d'hydrogène Cette gamme préférentielle de composition du mélange gazeux après passage à travers le puits d'aluminium a l'avantage qu'une élévation inattendue du taux de dépôt aux environs du facteur 1,5 est obtenue vis a vis de l'état de la technique. Une autre variante préférentielle du procédé est due à ce que la proportion de monohalogènure d'aluminium dans le mélange gazeux destiné aux surfaces externes à recouvrir est réduite jusqu'à 100 fois par rapport à la proportion nécessaire pour les surfaces internes à recouvrir Ceci est obtenu en alimentant les puits d'aluminium pour le revêtement extérieur et pour le revêtement intérieur avec des flux de gaz porteur séparés, une teneur en gaz halogéné dans le gaz porteur destiné au revêtement extérieur étant mise en jeu à une valeur réduite, jusqu'à un facteur 100 par rapport à celle destinée au revêtement interne. En outre, il s'est avéré qu'une réduction de la proportion de monohalogènure d'aluminium pour la couche extérieure peut être occasionnée également par des températures de puits de niveau différent pour la couche extérieure et la couche intérieure, raison pour laquelle une température de puits plus basse est maintenue pour le revêtement extérieur Ceci a l'avantage que les épaisseurs de couche peuvent être adaptées aux différences de contraintes de fonctionnement des faces extérieures et des faces intérieures des éléments de construction En outre, on peut s'opposer avantageusement à une réduction du taux de dépôt pour des couches par diffusion de gaz sur les faces internes. Elément de construction et puits d'aluminium sont placés pour un revêtement par diffusion de gaz selon l'invention dans un four à plusieurs zones Cela a par rapport au procédé selon le document FR-C 1 433 497 (à la figure 2) l'avantage qu'aucun chauffage des conduites de liaison n'est rendu nécessaire et que malgré cela, des températures différentes du puits d'aluminium et de la pièce sont réalisables par une disposition adéquate dans le four à plusieurs zones. La température de processus du puits d'aluminium est, de préférence, réglée jusqu'à 3000 C plus haute que la température de la pièce de construction, qui, de préférence, est maintenue à une température entre 800- et 1150 C pendant 0,5 à 48 heures Ceci a l'avantage que même pour des températures de pièces basses, la température du puits d'aluminium peut être amenée dans des fours à plusieurs zones à une valeur élevée, telle que la proportion de trihalogènure d'aluminium dans le mélange gazeux reste moins que négligeable. On peut obtenir une autre amélioration si l'on insère comme particules destinées aux puits d'aluminium, des phases inter- métalliques d'aluminium et des composants de l'alliage de base de l'élément de construction à recourir, qui comportent des proportions élevées d'aluminium dans la composition stoechiométrique avec au moins 3 atomes d'aluminium pour 1 atome de métal Avec cela, on obtient une pureté élevée du revêtement de l'élément, car aucun élément, qui n'est présent dans l'élément ou dans la couche, n'est introduit dans le procédé de diffusion de gaz De préférence, on utilise donc sous forme de particules comme puits d'aluminium, les phases intermétalliques Ni A 13, Fe A 13, Ti A 13, Co 2 A 19, Cr A 17, Cr 2 A 111, Cr A 14 ou Cr A 13 ou des mélanges de ces phases. Pour le recouvrement par diffusion gazeuse des surfaces intérieures, on maintient de préférence une vitesse de flux comprise entre 10-1 et 104 m par heure Ces vitesses de flux sur les surfaces internes ont l'avantage que le taux de dépôt sur la longueur de la face intérieure et donc l'épaisseur de la couche, sont rendus réguliers. Une autre variante préférentielle du procédé prévoit que le mélange gazeux est remplacé dans une phase de chauffage et une phase de refroidissement, par du gaz inerte pur Pour cela, l'amenée de gaz halogéné dans la phase de chauffage et dans la phase de refroidissement est arrêtée, de façon à empêcher le danger de la formation de quote-parts importantes de trichlorure d'aluminium, qui pourraient produire des effets corrosifs d'halogénure sur la surface de l'élément de construction Pendant une phase de dépôt, qui est située dans le temps entre la phase de chauffage et la phase de refroidissement, on opère de préférence, avec une pression de procédé de 103 à 105 Pa Dans cette gamme de pression, on peut réaliser avantageusement les vitesses élevées de flux sur les surfaces internes avec une faible dépense en technique de réglage. L'objectif de fournir un appareillage avec au moins un dispositif de chauffage, une chambre de cornues et au moins un puits d'aluminium pour réaliser le procédé selon l'invention, est atteint, en réalisant le dispositif de chauffage comme un four à plusieurs zones, en dotant la chambre de cornues de deux conduites de gaz porteur avec deux puits d'aluminium séparées pour un recouvrement séparé des faces externes et internes de l'élément de construction et une conduite d'évacuation commune pour les gaz de la réaction. Cet appareillage a l'avantage de pouvoir garantir la formation d'un mélange gazeux composé de gaz halogéné, d'hydrogène, de gaz de monohalogénure d'aluminium et de parties négligeables de gaz de trihalogènure d'aluminium, car les particules chauffables des composés métalliques d'aluminium, en tant que puits d'aluminium, peuvent être chauffées à une température plus élevée que les éléments de construction à recouvrir Par suite, le puits d'aluminium peut être avantageusement maintenu à des températures, auxquelles les trihalogènures d'aluminium ne sont pas stables. En outre, cet appareillage a l'avantage qu'on peut mettre en oeuvre pour la couche externe et la couche interne, des courants de gaz différents en référence à la vitesse de flux et à la concentration ou quote- part de monohalogènure d'aluminium Des vitesses de flux séparées pour une couche externe et une couche interne sont obtenues par des conduites d'amenée de gaz séparées Des concentrations ou quote- parts de monohalogénure d'aluminium différentes dans le mélange gazeux destiné à la couche externe et à la couche interne peuvent être avantageusement obtenues en séparant le puits d'aluminium avec les conduites d'amenée de gaz correspondantes séparées En plaçant les chambres de cornues dans un four à plusieurs zones, on économise avantageusement des installations de chauffage pour les conduites d'amenée entre le puits d'aluminium et l'élément de construction. Le procédé selon l'invention et l'appareillage sont avantageusement utilisés pour le recouvrement externe et interne simultané d'aubes de propulseurs de turbines à gaz. Les figures suivantes montrent des exemples et des réalisations préférentielles de l'invention. la figure 1 montre une esquisse destinée à expliquer le procédé, la figure 2 montre un appareillage préférentiel pour réaliser le procédé. La figure 1 montre une esquisse pour expliquer le procédé selon l'invention, dans laquelle un courant de gaz composé d'un mélange gazeux d'anhydride chlorhydrique ou d'anhydride fluorhydrique et d'hydrogène, de préférence avec un rapport molaire allant de 1: 3 à 1: 20 est envoyé dans le sens de la flèche A par une conduite d'amenée 1 à l'intérieur d'un récipient de pression 2 d'une chambre de cornues 3 Le mélange gazeux passe à travers un puits d'aluminium 4, composée de particules de composés métalliques d'aluminium Pour cela, le puits d'aluminium 4 est placée dans la zone la plus chaude de la chambre de cornues 3. Il se forme lors de la traversée du mélange gazeux à travers le puits d'aluminium, un monohalogènure d'aluminium Pour cela, le puits d'aluminium 4 est chauffée à une température jusqu'à 300 'C plus élevée que l'élément de construction 5, dont les faces extérieures et intérieures sont maintenues à une température comprise entre 8000 et 15000 C En outre, on installe sur l'axe longitudinal de l'élément de construction 5, qui est, dans ce cas, une aube de turbine en un alliage de base au nickel, un gradient de température de 1 à 30 C par mm Après la traversée par le mélange gazeux du puits d'aluminium 4, ce mélange gazeux se trouve enrichi en monohalogènure d'aluminium, de sorte qu'ensuite les faces extérieures de l'élément de construction sont entourées par un mélange gazeux composé d'une partie molaire d'anhydride chlorhydrique ou d'anhydride fluorhydrique et 4 parties molaires de monohalogènure d'aluminium et les faces intérieures sont baignées par le même mélange gazeux et de l'aluminium est déposé. A la suite des faces intérieures de l'élément 5, est disposée une conduite d'évacuation de gaz 6, et ainsi, après l'opération de dépôt d'aluminium sur les faces intérieures, les gaz restants s'échappent de la chambre de cornues 3 dans le sens de la flèche B. Pendant la diffusion et le dépôt d'aluminium on opère dans le récipient de pression 2 avec une pression de procédé comprise entre 103 et 105 Pa Au 1 S moyen d'un four à plusieurs zones, on règle dans le sens vertical par exemple un profil de température 7 dans la partie centrale du récipient de pression 2 La valeur de la température T du profil de température 7 est indiquée en OC sur l'axe des abscisses 8 et l'emplacement 1 est indiqué en mm sur l'axe des ordonnées 19 à la figure 1. La figure 2 montre un appareillage préférentiel pour réaliser le procédé avec au moins un dispositif de chauffage (non représenté), une chambre de cornues 3 et au moins un puits d'aluminium 4 Le dispositif de chauffage se compose d'un four à plusieurs zones et la chambre de cornues 3 comporte deux conduites d'amenée de gaz porteur 9 et 10 avec deux puits d'aluminium séparés 4 et 11 pour recouvrir séparément les faces extérieures et les faces intérieures de l'élément de construction 5 et il existe une conduite commune d'évacuation des gaz de réaction dans le sens de la flèche B. Au début d'une diffusion de gaz, l'appareillage avec l'aide du four à plusieurs zones est d'abord étuvé et chauffé Dans cette phase de chauffage, on maintient dans le récipient de pression 2, une dépression de 103 Pa par exemple, pour garantir une élimination du gaz des composants de l'appareillage et des matériaux contenus dans le récipient de pression 2 En même temps, on introduit par les canalisations d'amenée de gaz porteur 9 et 10, dans la chambre de cornues 3 dans le sens des flèches A et C, comme gaz porteur, un gaz inerte pour rincer la chambre à cornues 3, l'espace creux de l'élément de construction 5 et la zone située autour des puits d'aluminium 4 et 11 A la fin de la phase de chauffage, on ajuste au moyen du four à plusieurs zones, un profil de température 7 dans l'axe vertical du récipient de pression 2. Après la phase de chauffage, on envoie dans la chambre à cornues 3 dans les puits d'aluminium 4 et 11, un mélange gazeux d'anhydride chlorhydrique ou d'anhydride fluorhydrique par les canalisations d'amenée de gaz porteur 9 et 10 Les puits d'aluminium sont placées dans la zone la plus chaude de la chambre de cornues 3. Dans le puits d'aluminium 4, il se forme des mono-oxydes d'aluminium pour recouvrir les faces extérieures de l'élément de construction 5, tandis que dans le puits d'aluminium 11 séparée de la précédente, prend naissance du mono-oxyde d'aluminium pour recouvrir les faces intérieures de la pièce 5 En outre, la quote part de mono-oxyde d'aluminium mise en oeuvre dans le mélange gazeux destiné à recouvrir les faces extérieures est jusqu'à 100 fois plus faible que celle destinée au ouvrement des faces intérieures. Pour ce faire, le flux et la concentration en halogénures dans la conduite d'amenée de gaz porteur 10 est diminuée par rapport au flux et à la il concentration en halogénures dans la conduite d'amenée de gaz porteur 9. Une canalisation d'évacuation de gaz 12 est placée au-delà des faces internes et externes de l'élément 5, de façon à évacuer les reste gazeux de la chambre de cornues 3 dans le sens de la flèche B, après l'opération de dépôt d'aluminium sur les faces intérieures et extérieures. REVENDICATIONS 1. Procédé pour recouvrir d'une couche d'aluminium par diffusion de gaz des surfaces externes et internes d'éléments de construction, caractérisé en ce qu'on réalise un mélange gazeux, de gaz halogéné, d'hydrogène, de gaz de monohalogènure d'aluminium et de parties négligeables de gaz de trihalogénure d'aluminium, en faisant passer du gaz halogéné et de l'hydrogène à travers des particules chauffables de composés métalliques d'aluminium, comme puits d'aluminium ( 4) et en amenant le mélange gazeux sur les faces extérieures et intérieures à recouvrir de l'élément de construction. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mélange gazeux composé de monohalogènure d'aluminium, de gaz halogéné et d'hydrogène comprend de 3 à 6 parties de monohalogènures d'aluminium et de 1 à 3 parties de gaz halogéné et d'hydrogène. 3 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la proportion de monohalogénure d'aluminium dans le mélange gazeux destiné aux surfaces externes à recouvrir est réduite jusqu'à 100 fois par rapport à la proportion nécessaire pour les surfaces internes à recouvrir. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la température de procédé du puits d'aluminium ( 4) est réglée jusqu'à 3000 C plus élevée que la température de la pièce de construction. 5. Procédé selon les revendications précédentes prises dans leur ensemble, caractérisé en ce qu'on insère comme particules pour le puits d'aluminium ( 4), des phases intermétalliques d'aluminium et des composants de l'alliage de base de l'élément de construction à recouvrir, qui comportent des proportions élevées d'aluminium dans la composition stoechiométrique avec au moins 3 atomes d'aluminium pour 1 atome de métal. 6. Procédé selon les revendications précédentes prises dans leur ensemble, caractérisé en ce que, comme particules solides pour le puits d'aluminium ( 4), les phases intermétalliques Ni Al 3, Fe A 13, Ti A 13, Co 2 A 19, Cr A 17, Cr Al 11, Cr A 14 ou Cr A 13 ou bien des mélanges de ces phases. 7. Procédé selon les revendications précédentes prises dans leur ensemble, caractérisé en ce que pour recouvrir par diffusion de gaz les surfaces internes, on maintient une vitesse de courant comprise entre 10-1 et 104 m par heure. 8. Procédé selon les revendications précédentes prises dans leur ensemble, caractérisé en ce que le mélange gazeux est remplacé dans une phase de chauffage et une phase de refroidissement, par du gaz inerte pur. 9. Procédé selon les revendications précédentes prises dans leur ensemble, caractérisé en ce qu'on opère avec une pression de procédé comprise entre 103 et 105 Pa. 10. Procédé selon les revendications précédentes prises dans leur ensemble, caractérisé en ce qu'une durée du procédé sans inclure la durée d'une phase de chauffage et d'une phase de refroidissement, est maintenue entre 0,5 et 48 heures à des températures d'éléments de construction comprises entre 800 et 11500 C. 11. Appareillage pour la réalisation du procédé selon les revendications précédentes prises dans leur ensemble, avec au moins un dispositif de chauffage, une chambre de cornues et au moins un puits d'aluminium, caractérisé en ce que le dispositif de chauffage se compose d'un four à plusieurs zones et la chambre de cornues ( 3) comprend deux conduites d'amenée de gaz porteur ( 9, 10) avec deux puits d'aluminium ( 4, 11) séparés, situés dans la zone la plus chaude de la chambre de cornues ( 3) et destinés à recouvrir les surfaces extérieures et intérieures de l'élément de construction ( 5), et il existe une conduite d'évacuation commune ( 12) pour les gaz de la réaction.