Brevet FR2757879A1 — publié le 19980703

Procédé de pulvérisation à l'aide de l'arc électrique pour l'application d'un revêtement métallique augmentant le transfert de la chaleur, et pièce ainsi obtenue. La présente invention concerne un procédé pour appliquer un revêtement conducteur de la chaleur, très rugueux, à un support, et une pièce fabriquée par ce procédé. Plus précisément, la présente invention concerne un procédé utilisant l'arc électrique pour déposer un revêtement métallique, conducteur de la chaleur, sur des pièces constitutives de moteur à turbine à gaz, afin d'augmenter le transfert de la chaleur. On peut augmenter la poussée propulsive d'un moteur à turbine à gaz en laissant croître la température interne de fonctionnement. Toutefois, la limitation des performances des matériaux des pièces constitutives du moteur empêche d'augmenter de manière incontrôlée la température de fonctionnement d'un moteur à turbine à gaz. Pour augmenter davantage la température maximale à laquelle une pièce peut travailler, on applique de l'air refroidisseur à la pièce pour réduire la température locale de la pièce. L'efficacité du refroidissement augmente si la pièce comporte un revêtement conducteur de la chaleur, appliqué à la surface en contact avec l'air refroidisseur. Le revêtement conducteur de la chaleur augmente le coefficient de transfert thermique de la pièce en augmentant la surface en contact avec l'air refroidisseur. L'augmentation de surface provoque directement une augmentation de l'efficacité du transfert de la chaleur entre la pièce et l'air refroidisseur. Diverses techniques sont disponibles pour l'application de revêtements conducteurs de la chaleur à un matériau support. Une de ces techniques est la pulvérisation thermique. Le procédé de pulvérisation thermique particulier choisi dépend du type de revêtement à appliquer. La pulvérisation thermique peut être de l'un des quatre types suivants: la pulvérisation à la flamme, la pulvérisation au plasma, la pulvérisation par détonation et la pulvérisation à l'aide de l'arc électrique. Pour l'application de revêtements métalliques conducteurs de la chaleur, tels que ceux utilisés sur les pièces constitutives de moteurs à turbine à gaz, la pulvérisation à l'aide de l'arc électrique est un procédé préféré. Outre qu'elle conduit à une force de liaison élevée, la pulvérisation à l'aide de l'arc électrique présente un faible coût, est facile à appliquer, en particulier à de grosses pièces, et nécessite un investissement global plus faible que celui nécessité par les autres procédés de pulvérisation. La pulvérisation à l'aide de l'arc électrique est un procédé de pulvérisation thermique dans lequel un ou plusieurs fils métalliques en matières semblables ou différentes sont fondus, atomisés, et les particules fondues sont projetées sur une surface préparée pour former un revêtement métallique. L'énergie thermique nécessaire à la fusion du fil est produite par un arc électrique formé aux extrémités du fil. On utilise un courant gazeux à grande vitesse pour atomiser le métal fondu dans l'arc et propulser les fines gouttelettes vers la surface à revêtir. On peut utiliser un équipement de pulvérisation à l'arc pour appliquer divers types de revêtements, y compris des revêtements conducteurs, des revêtements protégeant contre la corrosion, des revêtements résistant à l'usure et des revêtements de réfection de la surface. La température de l'arc peut atteindre des dizaines de milliers de degrés Fahrenheit. Du fait de ces températures, les particules, lorsqu'elles sont accélérées, se fixent et se lient aux aspérités minimes d'un support convenablement nettoyé et ayant une rugosité appropriée, ce qui conduit à une forte adhérence du revêtement au support et à une force élevée de cohésion interne des particules. L'optimisation du matériau de revêtement et de la topographie du revêtement améliore l'efficacité du refroidissement de la pièce. Une plus grande efficacité du refroidissement entraîne pour un moteur à turbine à gaz plusieurs avantages: température de travail des pièces constitutives plus faible, durée de vie des pièces constitutives plus longue, et pièces plus légères. Les conditions opératoires habituelles de l'industrie pour la pulvérisation à l'aide de l'arc électrique conduisent normalement à la formation d'un revêtement ayant une épaisseur uniforme. Un revêtement d'épaisseur uniforme limite l'efficacité du revêtement conducteur du point de vue du refroidissement. Un revêtement à surface suffisamment rugueuse et irrégulière fournira plus de surface pour le contact avec l'air refroidisseur, ce qui augmentera l'efficacité du revêtement pour le refroidissement. Il existe donc un besoin d'amélioration des conditions du procédé de pulvérisation à l'aide de l'arc électrique, amélioration permettant d'obtenir un revêtement à surface suffisamment rugueuse pour que soit augmentée l'efficacité du revêtement pour le refroidissement. L'invention décrite dans la description et les revendications suivantes est dirigée vers une telle amélioration. La présente invention concerne un procédé d'application d'un revêtement métallique, conducteur de la chaleur, très rugueux, sur un support par pulvérisation à l'aide de l'arc électrique d'un alliage sous la forme d'un fil métallique d'alimentation, ledit alliage appartenant au groupe des alliages à base de nickel ou à base de cobalt. Un matériau NiCrAIY est un exemple de matériau de fil métallique d'alimentation utilisé pour le revêtement du support. On optimise les conditions de pulvérisation à l'aide de l'arc électrique de façon à obtenir une texture suffisamment rugueuse à la surface du revêtement métallique, conducteur de la chaleur. Les conditions de procédé décrites permettent d'appliquer un revêtement rugueux à divers supports pour différentes applications. Toutefois, le revêtement rugueux est spécialement appliqué à des pièces utilisées dans des moteurs à turbine à gaz. Par exemple, le revêtement rugueux augmente l'efficacité lors du refroidissement d'éléments de moteur à turbine à gaz tels que les chemises de chambres de combustion, les chemises d'échappement, les clapets et les joints, et les carcasses de turbines. Le procédé de pulvérisation à l'aide de l'arc électrique donne un revêtement ayant une épaisseur comprise dans l'intervalle allant de 0,005 pouce à 0,025 pouce (un pouce = 25,4 mm) et une rugosité moyenne de surface associée (Rm) d'au moins 500 micropouces ou plus. L'application du revêtement métallique, conducteur de la chaleur, est suivie d'un traitement thermique de la pièce, destiné à améliorer encore la liaison entre le revêtement et le support. Afin que l'invention puisse être clairement comprise, on va la décrire maintenant plus en détail, en se référant au dessin de la figure annexée, qui est une représentation schématique du revêtement à surface rugueuse, tel qu'appliqué sur un support. Le procédé selon la présente invention utilise un dispositif de pulvérisation à l'aide de l'arc électrique pour appliquer un revêtement métallique sur un support. Dans des conditions opératoires appropriées, le revêtement appliqué est suffisamment rugueux pour faciliter un refroidissement efficace par de l'air passant sur le revêtement. Le procédé et le revêtement selon la présente invention sont spécialement conçus pour être utilisés avec des pièces constitutives de moteurs à turbine à gaz, qui sont en communication avec un courant de gaz chaud sur l'une de leurs faces et en communication avec un courant d'air refroidisseur sur l'autre face. Les éléments de moteurs à turbine à gaz présentant de telles caractéristiques comprennent les chemises de chambres de combustion, les chemises d'échappement, les clapets et les joints, et les carcasses de turbines, mais cette liste n'est pas limitative. Le dessin de la figure montre le revêtement métallique 1, conducteur de la chaleur, ayant une épaisseur t, appliqué sur une pièce type 2 d'un moteur à turbine à gaz. La pièce de moteur envisagée dans ce mode de réalisation de la présente invention travaille normalement dans un environnement dans lequel un côté de la pièce est en communication avec le courant de gaz chaud 3 du moteur et l'autre côté de la pièce est en communication avec le courant d'air refroidisseur 4 dirigé vers la pièce. Le côté chaud de la pièce est protégé des gaz chauds par un revêtement appliqué 5 qui joue le rôle de barrière contre la chaleur. La surface de la pièce de moteur à laquelle le revêtement métallique 1, conducteur de la chaleur, sera appliqué, est normalement rendue rugueuse par décapage au jet de sable ou par une autre technique créant des rugosités. Une technique préférée utilise du sable 60-120 sous une pression de 60 à 120 psi. Ce traitement prépare la surface à fixer plus facilement les gouttelettes fondues pulvérisées sur la surface à partir du dispositif de pulvérisation utilisant l'arc électrique et augmente la surface du revêtement 1 de façon à favoriser l'adhérence. Le revêtement métallique 1, conducteur de la chaleur, est appliqué au moyen d'un dispositif de pulvérisation utilisant l'arc électrique. Le dispositif de pulvérisation utilisant l'arc électrique est placé à une distance de 2 à 8 pouces de la surface de la pièce, la distance préférée de pulvérisation étant de 3-4 pouces. Deux morceaux de fil métallique d'alimentation constitué du matériau de revêtement désiré, qui, dans un mode de réalisation particulièrement préféré, est un matériau à base de nickel ou à base de cobalt, résistant à l'oxydation, sont introduits dans le dispositif de pulvérisation. Le matériau du fil d'alimentation est introduit dans le dispositif de pulvérisation utilisant l'arc électrique à un rythme de 3 livres par heure à 9 livres par heure, un rythme préféré étant de 5,5 livres par heure. NiCrAIY est la composition préférée du fil métallique d'alimentation. Les extrémités se faisant face des deux fils d'alimentation sont placées à proximité l'une de l'autre et on applique au fil d'alimentation un courant électrique compris entre 100 et 500 ampères, de préférence entre 150 et 250 ampères, qui est suffisant pour créer un arc à l'extrémité des deux fils d'alimentation. Le matériau du fil d'alimentation est par conséquent chauffé et produit des gouttelettes fondues. Une buse par laquelle s'écoule à grande vitesse un gaz atomisant, est placée directement derrière l'arc et est en ligne droite avec lui. Le gaz atomisant est normalement de l'air ou un gaz inerte comprimé. Le gaz atomisant transporte les gouttelettes fondues du matériau du fil d'alimentation jusqu'à la surface de la pièce du moteur. Pendant que les gouttelettes fondues sont propulsées par le gaz atomisant, on déplace la pièce du moteur par rapport au courant de matériau de revêtement fondu de telle sorte que le revêtement est appliqué sur la partie désirée de la pièce. Lors de chaque passage, on applique une couche de revêtement ayant une épaisseur comprise entre 0, 001 pouce et 0,007 pouce, l'épaisseur exacte dépendant de la vitesse de translation. En conséquence, il faut environ 1 à 10 passages pour obtenir un revêtement ayant une épaisseur t comprise entre 0,005 pouce et 0,025 pouce et une rugosité moyenne (Rm) associée de 500 à 1500 micropouces. Les conditions normales de la pulvérisation à l'aide de l'arc électrique donnent un revêtement relativement lisse d'un matériau sur le support. Les conditions décrites dans la présente invention donnent une surface beaucoup plus rugueuse, ce qui veut dire une plus grande surface sur laquelle passera l'air refroidisseur. La rugosité accrue de la surface du revêtement métallique, conducteur de la chaleur, entraîne une augmentation de 40 à 60 % du coefficient de transfert de la chaleur par rapport à celui d'un revêtement lisse. L'importance de la rugosité produite par le procédé de pulvérisation utilisant l'arc électrique dépend du matériau des fils d'alimentation, du courant électrique traversant les fils d'alimentation et de la distance de pulvérisation. Un courant électrique élevé et une distance de pulvérisation optimisée conduiront à des gouttes fondues plus grosses. Les gouttes fondues plus grosses donnent un revêtement de plus grande rugosité. L'application du revêtement métallique, conducteur de la chaleur, est suivie d'un traitement thermique de la pièce, destiné à améliorer encore la liaison entre le revêtement et le support. Le traitement thermique est réalisé à une température comprise dans l'intervalle allant de 1700 à 2000 degrés Fahrenheit, pendant une durée de 2 à 8 heures, une température de 1975 degrés Fahrenheit, appliquée pendant 4 heures, étant préférée. Bien que l'on ait décrit l'invention en ce qui concerne ses modes de réalisation préférés, les spécialistes comprendront que l'on peut effectuer des variations et modifications par rapport à ces modes de réalisation préférés sans sortir du cadre et de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé pour appliquer un revêtement métallique sur une surface d'un support par pulvérisation à l'aide de l'arc électrique, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: fournir à un dispositif de pulvérisation utilisant l'arc électrique, en tant que fil métallique d'alimentation, un matériau métallique appartenant au groupe des matériaux de revêtement désirés, appliquer audit fil d'alimentation un courant électrique compris dans l'intervalle allant de 100 à 500 ampères, pour faire fondre ainsi l'extrémité dudit fil d'alimentation, faire passer un courant de gaz sur ladite extrémité dudit fil d'alimentation pour former des gouttelettes dudit matériau métallique, projeter lesdites gouttelettes à une distance comprise entre 2 et 8 pouces, pour déposer lesdites gouttelettes sur ladite surface dudit support, laisser lesdites gouttelettes se solidifier pour former sur ladite surface dudit support un revêtement métallique ayant une épaisseur et une rugosité moyenne prédéterminées, et appliquer un traitement thermique à ladite surface revêtue. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau métallique est choisi dans le groupe comprenant des matériaux à base de nickel et des matériaux à base de cobalt. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit matériau métallique est NiCrAIY. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite rugosité moyenne dudit revêtement métallique est de 500 à 1500 micro- pouces. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite étape de traitement thermique comprend la soumission dudit revêtement métallique et du support à une température comprise dans l'intervalle allant de 1700 à 2000 degrés Fahrenheit, pendant une durée de 2 à 8 heures, pour améliorer la liaison entre ledit revêtement métallique et ledit support. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le courant appliqué audit fil d'alimentation est compris dans l'intervalle allant de 150 à 250 ampères. 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les gouttelettes fondues sont projetées à une distance de 3 à 4 pouces. 8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur dudit revêtement est comprise dans l'intervalle allant de 0,005 pouce à 0,025 pouce. 9. Pièce comprenant une feuille ayant une forme allongée, présentant des faces opposées appelées première face et seconde face, et une couche conductrice de la chaleur, présentant des faces opposées appelées première face et seconde face, ladite seconde face étant liée à ladite première face de ladite feuille allongée, caractérisée en ce que ladite couche conductrice a une texture nettement rugueuse en surface et une épaisseur et une rugosité moyenne prédéterminées. 10. Pièce selon la revendication 9, caractérisée en ce que ladite couche conductrice de la chaleur comprend un matériau choisi dans le groupe constitué des matériaux à base de nickel et des matériaux à base de cobalt. 11. Pièce selon la revendication 10, caractérisée en ce que ledit matériau pour la couche conductrice de la chaleur est NiCrAIY. 12. Pièce selon la revendication 9, caractérisée en ce que ladite épaisseur est comprise entre 0,005 pouce et 0,025 pouce et ladite rugosité moyenne est comprise entre 500 et 1500 micropouces.