Brevet FR2706171A1 — publié le 19941216

Procédé d'aluminisation notamment pour cavités métalliques allongées. L'aluminisation est utilisée depuis de nombreuses années pour la protection des pièces métalliques chaudes et, en particulier, pour améliorer la tenue à la corrosion et à l'oxydation des surfaces exposées des aubes des turbines à gaz. Elle consiste à enrichir en aluminium, au voisinage de la surface de la pièce à traiter, le métal généralement allié qui constitue cette pièce. Elle donne à ce métal une10 dualité de caractéristiques physiques à haute température: la couche extérieure riche en aluminium assure une tenue convenable à l'oxydation et à la corrosion à chaud sans que les propriétés mécaniques du métal de base non traité ne soient modifiées.15 Or les aubes des étages chauds des réacteurs d'aviation et turbines modernes sont refroidies en injectant de l'air comprimé dans des cavités de formes parfois complexes constituant des canaux de refroidissement. En fonction de la composition de l'aube et de ses températures20 de fonctionnement, il est alors parfois nécessaire de prévoir aussi une protection des surfaces internes crées par ces canaux. Divers procédés thermochimiques sont connus pour effectuer un traitement d'aluminisation. Dans ces procédés, un apport d'aluminium est réalisé par l'apport ou la création in situ d'un vecteur halogéné qui se décompose au niveau de la surface à traiter pour y apporter des atomes d'aluminium. La température élevée du traitement entraîne une diffusion inter moléculaire limitée30 de l'aluminium dans le métal du substrat constitué par la pièce à traiter. On forme ainsi, à partir de cette surface, des couches riches en aluminium. La puissance d'apport d'aluminium du vecteur halogéné est fonction de sa pression partielle dans le mélange gazeux qui résulte de l'équilibre thermochimique. Le traitement d'aluminisation peut être effectué soit en "pack", soit en phase vapeur. On va tout d'abor décrire le traitement en "pack". Un "pack" est constitué par un mélange de poudres: - poudre d'un alliage métallique riche en aluminium, - poudre d'un diluant neutre tel que l'alumine - un générateur de vecteur halogéné, tel que le chlorure d'ammonium CLNH4. Les pièces à traiter sont disposées dans le pack, à l'intérieur d'un caisson métallique qui est ensuite chauffé sous atmosphère d'hydrogène. Le vecteur halogéné se forme en se chargeant en aluminium au contact des particules du pack. Il transporte cet aluminium par diffusion gazeuse jusqu'à la surface à15 traiter o il se décompose en donnant un résidu de décomposition gazeux. Ce dernier revient au contact de l'aluminium métallique du pack et régénère alors le vecteur halogéné. L'équilibre entre la diffusion de l'aluminium dans le substrat et la diffusion gazeuse, fonction de la densité du pack et de sa richesse en aluminium, a une influence sur la teneur en aluminium de la couche enrichie qui est formée dans ce substrat. Lorsque le "pack" s'appauvrit en aluminium, au voisinage de ce dernier, l'activité du vecteur25 halogéné diminue. Le traitement en phase vapeur permet de maintenir constante l'activité d'un vecteur halogéné parce que son enrichissement en aluminium est réalisé indépendamment de la position de la pièce. Il permet ainsi un contrôle plus30 précis des caractéristiques métallurgiques de la couche formée. En contre-partie, les formes de la pièce à traiter peuvent poser quelques problèmes. C'est pourquoi il est souvent nécessaire de créer une circulation artificielle35 dans l'enceinte de traitement. Compte tenu des températures de traitement usuelles, il est parfois difficile de contrôler de façon simple et efficace la qualité de cette circulation. La présente invention concerne plus particulièrement, quoique non exclusivement, le traitement des surfaces internes de cavités. Dans les deux types de traitement cités ci-dessus, le traitement des surfaces internes telles que celles de canaux de refroidissement pose un problème parfois insoluble. Dans le cas du traitement en pack, il est la plupart du temps impossible d'assurer un remplissage parfait des cavités à protéger, il est souvent difficile de nettoyer ces cavités après traitement et enfin, la quantité d'élément donneur qui peut être introduite sous forme de mélange de poudres, est limitée et parfois insuffisante.15 Dans le cas des traitements en phase vapeur, il n'est pas simple d'assurer une circulation convenable du vecteur halogéné à haute température dans les cavités à traiter. En général, les solutions techniques de ces problèmes sont des solutions très spécifiques qui doivent être adaptées à chaque cas de figure. La présente invention a notamment pour but d'améliorer d'une manière simple et reproductible l'efficacité d'un traitement d'aluminisation notamment lorsque les possibilités d'apport ou de création d'un vecteur halogéné25 convenable sont au moins localement limitées. Tel est notamment le cas lorsque les surfaces à traiter sont les surfaces internes de cavités allongées telles que des canaux de refroidissement d'aubes de turbines à gaz ou analogue. Cette invention a aussi pour but de limiter le coût d'un tel30 traitement. Dans ces buts, selon cette invention, on effectue une aluminisation par traitement thermochimique avec mise en place, au voisinage de la surface à traiter, avant ce traitement, d'une pièce donneuse d'aluminium à base35 d'aluminium métallique. De préférence cette pièce est munie d'un revêtement métallique mince résistant à la température de traitement. A l'aide des figures schématiques ci- jointes, on va décrire plus particulièrement ci-après, à titre d'exemple non limitatif, comment la présente invention peut être mise en oeuvre dans le cadre de l'exposé qui en a été donné ci- dessus. Lorsqu'un même élément est représenté sur plusieurs figures il y est désigné par le même signe de référence. La figure 1 représente une vue partielle en coupe d'une aube de turbine au cours d'un traitement d'aluminisation selon la présente invention, la surface de coupe étant parallèle aux faces principales de cette aube. La figure 2 représente une vue de détail à échelle agrandie d'une pièce donneuse de la figure 1. D'une manière d'abord générale, un procédé selon cette invention comporte les opérations suivantes, connues pour un traitement thermochimique: apport d'un vecteur halogéné portant en phase vapeur de l'aluminium sous une forme chimique combinée au voisinage et au contact d'une surface à traiter 2 appartenant à un substrat métallique à température de fusion élevée 4, - et chauffage pour porter pour un temps limité cette surface à une température de traitement supérieure à la température de fusion de l'aluminium mais inférieure à celle25 du substrat. Cette température, par exemple 1040 C, est telle que le vecteur halogéné se décompose en délivrant des atomes d'aluminium sur cette surface et que ces atomes diffusent dans ce substrat au voisinage de cette surface. En se décomposant ce vecteur forme d'autre part un résidu de30 décomposition restant en phase vapeur. Conformément à la présente invention, avant le chauffage, on met en place au voisinage de la surface à traiter une pièce donneuse d'aluminium 6. Cette dernière peut être constituée par un coeur métallique à base35 d'aluminium 8 revêtu d'un revêtement métallique mince 10. Le métal de ce revêtement est choisi pour rester à l'état solide et pour résister chimiquement audit vecteur halogéné et à son résidu de décomposition à la température de traitement. Son épaisseur est suffisamment grande pour éviter un écoulement de ce coeur lors du chauffage. Elle est d'autre part suffisamment petite pour permettre à des atomes d'aluminium de diffuser alors à travers ce revêtement pour venir se combiner à ce résidu de décomposition et régénérer ainsi le vecteur halogèné. Un peu plus particulièrement, pour l'aluminisation de la surface interne d'une cavité allongée, la pièce donneuse d'aluminium 6 présente une forme allongée mince telle qu'un fil ou un feuillard. Lors de sa mise en place cette pièce est allongée dans cette cavité selon la longueur de celle- ci.15 La quantité d'aluminium contenue dans cette pièce est choisie pour assurer l'enrichissement qui est souhaité pour la surface à traiter au voisinage de cette pièce. Son revêtement métallique 10 est constitué d'au moins un métal du groupe comportant le nickel, le chrome et le cobalt.20 Cette invention s'applique par exemple avec avantage à l'aluminisation d'une aube de turbine industrielle comportant douze canaux de diamètre 1,5 mm et de longueur 250 mm. La pièce donneuse d'aluminium présente avantageusement dans ce cas la forme d'un fil. Ce dernier pourrait notamment être constitué d'aluminium avec un métal d'alliage. Ce dernier serait choisi pour constituer un adjuvant qui s'opposerait à la fusion de cette pièce à la température de traitement. Mais la réalisation d'une telle pièce se30 heurterait à des problèmes de fabrication et la fragilité de l'alliage interdirait la réalisation de fils de diamètres suffisamment faibles dans le cas donné en exemple. C'est pourquoi, dans ce cas, on effectue, sur un fil en aluminium pur ou faiblement allié, un dépôt électrolytique ou chimique35 de nickel ou nickel chrome ou cobalt ou cobalt-chrome. Le fil ainsi revêtu est introduit dans le canal à protéger. La pièce peut être ensuite chargée dans un pack classique d'aluminisation thermochimique. Dès que la température dans les canaux de la pièce dépasse la température de "fusion" de l'aluminium, ce dernier, par diffusion intermoléculaire, s'allie avec le revêtement du fil. Il crée ainsi un alliage riche en aluminium qui permet une aluminisation des parois du canal sans qu'on soit gêné par une formation de goutte liquide à10 l'intérieur du canal. Le choix du diamètre du fil permet d'adapter la quantité d'aluminium de la pièce donneuse à la surface à traiter. Le choix des dépôts électrolytiques réalisés sur le fil permet de contrôler la vitesse de la régénération du vecteur halogéné. Enfin, il n'est pas nécessaire d'ajouter dans les canaux un vecteur halogéné particulier puisque le vecteur halogéné qui existe dans le pack de traitement, ou dans le traitement réalisé en phase vapeur, peut pénétrer par20 diffusion gazeuse dans la cavité à traiter et trouver in situ les éléments de régénération nécessaires à l'équilibre thermochimique souhaité. Dans le cas de la pièce citée en exemple ci-dessus, le traitement du canal de 1,5 mm de diamètre et 250 mm de longueur a été réalisé à l'aide d'un pack de la composition suivante: % Poudre métallique AlTi (30 % Al, 70 % Ti) 64 % A1203 (diluant inerte) 1 % FHFNH4 (générateur de vecteur halogéné) La pièce donneuse 6 était constituée par un fil en aluminium pur de diamètre 0,4 mm, revêtu par 5 microns de nickel. On a formé ainsi dans le canal une couche de mêmes caractéristiques que la couche qui a été formée à la surface extérieure de la pièce à traiter: Epaisseur diffusée: 60 à 80 Fm. Teneur en aluminium: 28 à 35 % sur 50 % de l'épaisseur de la couche. Les contrôles réalisés à différents niveaux ont donné des résultats homogènes. En résumé la présente invention permet notamment de réaliser par traitement thermochimique un enrichissement en aluminium d'alliages divers dans des canaux de grande longueur et de pénétration difficile. Les sections de ces canaux peuvent être de forme circulaire ou autre. L'apport d'aluminium est réalisé sous forme de fils ou feuillards aluminium pur ou faiblement allié revêtus au préalable de nickel, nickel chrome, cobalt ou cobalt chrome. La commande de la quantité d'aluminium introduite dans le canal est assurée par le choix de la section du fil ou du f euillard d'aluminium. Quant à la commande de l'activité de la pièce donneuse ainsi constituée, c'est-à-dire de la vitesse de régénération, elle est réalisée par le choix de l'épaisseur du revêtement métallique.20 Le vecteur halogéné nécessaire à la réaction thermochimique est fourni par le pack de traitement ou par l'atmosphère du traitement en phase gazeuse. REVENDICATIONS 1) Procédé d'aluminisation notamment pour cavités métalliques allongées, caractérisé par le fait qu'on effectue une aluminisation par traitement thermochimique, 5 avec mise en place, au voisinage de la surface à traiter (2), avant ce traitement, d'une pièce donneuse d'aluminium (6) à base d'aluminium métallique. 2) Procédé selon la revendication 1 caractérisé par le fait que ladite pièce donneuse d'aluminium (6) est munie d'un revêtement métallique mince (10) résistant à la température de traitement. 3) Procédé d'aluminisation notamment pour cavités métalliques allongées selon la revendication 1, ce procédé comportant les opérations suivantes:15 - apport d'un vecteur halogéné apte à porter en phase vapeur de l'aluminium sous une forme chimique combinée au voisinage et au contact d'une surface à traiter (2) appartenant à un substrat métallique (4), - et chauffage pour porter pour un temps limité cette surface à une température de traitement qui est supérieure à la température de fusion de l'aluminium tout en étant inférieure à celle dudit substrat, cette température étant telle que ledit vecteur halogéné se décompose en délivrant d'une part des atomes d'aluminium sur ladite surface à25 traiter pour que ces atomes diffusent dans ce substrat au voisinage de cette surface, et en formant d'autre part un résidu de décomposition restant en phase vapeur, ce procédé étant caractérisé par le fait qu'il comporte en outre, avant ledit chauffage, la mise en place d'une pièce donneuse d'aluminium (6) présentant une étendue en regard de ladite surface à traiter, cette pièce contenant de l'aluminium métallique et un adjuvant s'opposant à sa liquéfaction à ladite température de traitement pour présenter des atomes d'aluminium audit résidu de35 décomposition tout en restant solide et en place lors dudit chauffage. 4) Procédé selon la revendication 3 caractérisé par le fait que ladite pièce donneuse d'aluminium (6) est constituée par un coeur métallique à base d'aluminium (8), et par un revêtement métallique mince (10) enrobant ce coeur 5 pour constituer ledit adjuvant, le métal de ce revêtement restant à l'état solide et résistant chimiquement audit vecteur halogéné et audit résidu de décomposition à ladite température de traitement, l'épaisseur de ce revêtement étant d'une part suffisamment grande pour éviter un écoulement de ce coeur lors dudit chauffage, d'autre part suffisamment petite pour permettre à des atomes d'aluminium de diffuser alors à travers ce revêtement pour venir se combiner à ce résidu de décomposition de manière à régénérer ce vecteur halogéné.15 5) Procédé selon la revendication 3 caractérisé par le fait que pour l'aluminisation de la surface interne d'une cavité allongée, ladite pièce donneuse (6) présente une forme allongée mince telle qu'un fil ou un feuillard, cette pièce étant allongée dans cette cavité selon la longueur de20 celle-ci lors de sa dite mise en place. 6) Procédé selon la revendication 4 caractérisé par le fait que ledit revêtement métallique (10) est constitué d'au moins un métal du groupe comportant le nickel, le chrome et le cobalt.25 7) Procédé selon la revendication 3 caractérisé par le fait que ledit apport d'un vecteur halogéné est réalisé grâce à la mise en place, au voisinage de ladite surface à traiter, avant ledit chauffage, d'un pack (14) comportant un mélange de poudres constituées d'un métal à base d'aluminium30 d'un diluant neutre, notamment d'alumine, et d'un halogénure. 8) Procédé selon la revendication 3 caractérisé par le fait que ledit apport d'un vecteur halogèné est réalisé par l'introduction et éventuellement le maintien en circulation,35 dans une enceinte de traitement contenant ledit substrat métallique, d'une vapeur constituant ce vecteur.