Brevet FR2784438A1 — publié le 20000414

Domaine de l'invention La présente invention concerne les joints statiques métalliques à haute température devant assurer un niveau d'étanchéité élevé pendant une durée suffisante dans des conditions de fonctionnement extrmes, en particulier dans des plages de température pouvant dépasser 1000 K, notamment pour des applications dans le domaine spatial. Art antérieur On connaît déjà divers types de joints statiques métalliques de configurations diverses destinés à tre utilisés dans des environnements sévères, avec des fonctionnements sous haute pression et dans des plages de températures très élevées ou au contraire très basses. Des exemples de tels joints sont décrits notamment dans les documents EP-A-0241350, EP-A-0711938 et EP-A-0851158. Parmi les joints statiques connus, aucun joint statique n'a toutefois le pouvoir de conserver un mme niveau d'étanchéité dans une plage de températures très étendue pouvant aller de 73 K à 1100 K. Certaines solutions ont été proposées pour permettre une tenue en température d'un joint pour une valeur de température de l'ordre de 1000 K. Toutefois de telles solutions impliquent une dégradation de la qualité de t'étanchéité par rapport à des conditions de température standard. Une première solution déjà proposée est lustrée sur les figures 11 å 14. Selon cette première réalisation connue, un joint statique comprend un substrat métallique 40 sur lequel au moins dans les zones de contact d'étanchéité avec une pièce 50 vis-à-vis de laquelle doit tre réalisée l'étanchéité, il est formé un revtement d'argent 60. On a représenté une pièce 50 dont !'état de surface 51 présente des irrégularités. La figure 11 représente le joint connu avant sa mise en contact avec la pièce 50. La référence 67 désigne l'interface entre le revtement 60 en argent et le substrat métallique 40. La référence 66 désigne une diffusion limitée de l'argent dans le substrat. La référence 61 désigne la surface extérieure régulière du revtement d'argent 60 qui est destinée à venir en contact avec la surface irrégulière 51 de la pièce 50. Le revtement d'argent 60 vise à permettre une adaptation de la surface du joint à la surface irrégulière 51 de la pièce 50. Ainsi, comme on peut le voir sur la figure 12, lorsque le joint est pressé contre la pièce 50 par un effort symbolisé par la flèche F, le revtement d'argent 60 flue et remplit les espaces libres définis entre les aspérités de la surface 51 de la pièce 50. La surface libre 62 du revtement d'argent 60 épouse alors la forme de la surface irrégulière 51 de la pièce 50. La figure 13 montre les phénomènes qui interviennent lorsque la température environnante dépasse 950 K. Des particules d'argent 64 sont transférées dans la pièce 50 de l'autre côté de la surface irrégulière 51 et provoquent un phénomène de collage du revtement d'argent 60 sur la pièce 50. La figure 14 montre les phénomènes qui interviennent après le phénomène de collage du revtement d'argent 60 sur la pièce 50. Après une durée de fonctionnement à haute température (950 à 1000 K) de l'ordre de 15 minutes ou après plusieurs cycles thermiques, il se produit une rupture de la liaison entre le joint et la pièce 50 par fissuration du revtement d'argent 60. La fissure 80 formée dans le revtement d'argent 60 constitue une perte d'étanchéité qui assure une dégradation du joint, lequel ne peut donc plus tre considéré comme remplissant correctement sa fonction. On décrira également, en référence aux figures 15 et 16, une autre technologie proposée pour la réalisation de joints devant résister à haute température. Selon cette autre technologie, un joint statique comprend un substrat métallique 40 sur lequel, au moins dans les zones de contact d'étanchéité avec une pièce 50 vis-à-vis de laquelle doit tre réalisée l'étanchéité, il est formé un revtement de nickel 70. La figure 15 représente le joint connu avant sa mise en place contre la pièce 50 dont l'état de surface 51 présente des irrégularités. La référence 77 désigne l'interface entre le revtement 70 en argent et le substrat métallique 40. La référence 76 désigne une diffusion limitée du nickel dans le substrat. La référence 71 désigne la surface extérieure régulière du revtement de nickel 70 qui est destinée à venir en contact avec la surface irrégulière 51 de la pièce 50. Le revtement 70 en nickel constitue un matériau dur à haute résistance élastique destiné à éviter un phénomène de collage à haute température. Toutefois, comme on peut le voir sur la figure 16, lorsque le joint est en contact avec la pièce 50 et pressé contre celle-ci par un effort symbolisé par la flèche F, la surface 72 du revtement 70 en nickel est déformée sans toutefois pouvoir s'adapter parfaitement à la surface 51 de la pièce 50, du fait de la dureté élevée du nickel. 11 reste ainsi des espaces libres 73 entre la surface 51 de la pièce 50 et la surface déformée 72 du revtement 70 en nickel, ce qui a pour conséquence de faire baisser la performance et la fiabilité de l'étanchéité. Objet et description succincte de l'invention L'invention vise à remédier aux inconvénients précités à permettre d'obtenir, à des températures élevées, un niveau d'étanchéité qui soit comparable à ceux qui sont obtenus avec des joints statiques dans des conditions standards. Ces buts sont atteints grâce à un joint statique métallique à haute température, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une zone de contact d'étanchéité constituée par un substrat métallique sur lequel sont déposés successivement un premier revtement d'un premier matériau métallique dur à haute résistance élastique dont l'épaisseur est d'au moins environ 15 pm, et un second revtement d'un second matériau métallique dont l'épaisseur est comprise entre environ 2 et 6 lim et dont la dureté est faible et la capacité de fluage permet une adaptation de la géométrie de la zone de contact d'étanchéité à l'état de surface d'une pièce avec laquelle le joint doit réaliser une étanchéité. Grâce à une telle structure, une adaptation de la surface du joint dans la zone de contact peut tre réalisée de façon complète sans qu'il se produise un risque de fissuration. A titre d'exemple, le premier revtement est du nickel et le deuxième revtement est de I'argent. De préférence, le premier revtement présente une épaisseur comprise entre 20 zm et 40 pm. Avantageusement, le deuxième revtement présente une épaisseur comprise entre 2 zm et 4 zm. Selon une caractéristique particulière, le premier revtement est en un matériau métallique dont la dureté est comprise entre environ 100 et 150 HV (dureté Vickers), et de préférence de l'ordre de 120 HV. Avantageusement, le deuxième revtement est en un matériau métallique dont la dureté est de l'ordre de 50 HV. La zone de contact d'étanchéité du joint peut tre essentiellement plane ou présenter un grand rayon de courbure. Toutefois, la qualité d'étanchéité du joint peut encore tre améliorée si la zone de contact d'étanchéité est convexe et présente une courbure dont le rayon est inférieur ou égal à 1 mm. Le joint statique selon l'invention est adapté pour assurer une étanchéité statique en particulier dans une gamme de températures comprises entre 950 et 1100 K et peut tre utilisé notamment pour des applications dans le domaine spatial. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : -la figure 1 est une vue de trois-quarts (coupée) en perspective d'un exemple de joint statique auquel est applicable l'invention, -la figure 2 est une vue schématique en quart-coupe axiale de l'exemple de joint de la figure 1, -la figure 3 est une vue en demi-coupe axiale montrant un exemple d'assemblage à brides incorporant un joint tel que celui des figures 1 et 2, -la figure 4 est une vue en coupe d'une portion de la zone de contact d'un exemple de joint statique conforme à l'invention, à t'état de repos, -la figure 5 est une vue en coupe analogue à celle de la figure 4, mais lorsque le joint statique est soumis à une effort de pression et se trouve dans un environnement à température ambiante de l'ordre de 300 K, -la figure 6 est une vue en coupe analogue à celle de la figure 5, mais lorsque le joint statique est soumis à un effort de pression prolongé et se trouve dans un environnement à haute température de l'ordre de à 1100 K, -les figures 7 à 10 montrent, en coupe, en coopération avec une pièce formant siège de joint, différents états de la zone de contact d'un joint statique conforme à l'invention, successivement à !'état de repos, lorsqu'un effort de pression est exercé sur le joint à température ambiante, lorsque le joint est soumis à une température supérieure à 950 K et lorsque le joint est en service à haute température après un certain temps de fonctionnement, -les figures 11 à 14 montrent, en coupe, en coopération avec une pièce formant siège de joint, différents états de la zone de contact d'un premier joint statique de I'art antérieur, successivement à l'état de repos, lorsqu'un effort de pression est exercé sur le joint à température ambiante, lorsque le joint est soumis à une température supérieure à 950 K et lorsque le joint est en service à haute température après un certain temps de fonctionnement, -les figures 15 et 16 montrent, en coupe, en coopération avec une pièce formant siège de joint, différents états de la zone de contact d'un deuxième joint statique de fart antérieur, respectivement à !'état de repos et lorsque le joint est en service à haute température sous pression après un certain temps de fonctionnement, et -la figure 17 est un ensemble de diagrammes montrant l'évolution du niveau d'étanchéité dans le temps, en fonction de la pression, à haute température, d'une part pour un joint statique de I'art antérieur et d'autre part pour un joint statique selon l'invention. Description détaillée de modes particuliers de réalisation On décrira d'abord, à titre d'exemple, en référence aux figures 1 à 3, une configuration possible pour un joint statique métallique auquel est applicable l'invention. Une telle configuration n'est toutefois pas limitative et l'invention peut s'appliquer à des joints présentant des sections ou des formes d'ensemble très différentes de l'exemple représenté sur les figures 1 à3. La Figure 1 montre l'aspect générât d'un exemple de joint statique 10 qui comprend un corps annulaire 11 d'axe Z'Z, prolongé latéralement par des lèvres 12,13 elles-mmes associées à des parties terminales 14, 15 définissant les surfaces de contact du joint 10. Le joint 10 présente, en demi-coupe axiale (Figure 2 et 3), la forme d'un U couché. Comme on peut le voir notamment sur la Figure 2, en position de repos, le profil du joint 10 en demi-coupe axiale comprend une partie courbe 11 en forme de C délimitée par une surface extérieure courbe 21 et exempte d'angles et par une surface intérieure 16 également courbe et exempte d'angles, la partie courbe 11 constituant le corps annulaire du joint. La partie courbe 11 est prolongee latéralement par des parties de liaison 12,13 définissant les Ivres du joint, chacune de ces parties de liaison 12,13 comprenant une surface extérieure plane 22, perpendiculaire à I'axe du joint et raccordée tangentiellement à la surface extérieure courbe 21, et une surface intérieure plane 17 qui est raccordée tangentiellement à la surface intérieure courbe 16. Les parties terminales convexes 14,15 qui assurent l'étanchéité à l'extrémité des Ivres du joint sont raccordées aux parties de liaison 12, 13 de façon progressive, sans angle rentrant. Les parties terminales convexes 14,15 peuvent ainsi tre délimitées chacune, d'une part, par une surface intérieure plane qui prolonge et est dans l'alignement de la surface intérieure plane 17, de manière à former avec celle-ci une surface plane continue et, d'autre part, par une surface extérieure courbe 24 qui constitue une zone de contact et forme saillie par rapport à la surface extérieure plane 22, en étant raccordée de façon progressive à cette dernière. La Figure 3 montre un exemple de montage possible du joint 10 dans un assemblage à brides. Le joint 10 est disposé sur un lamage 122 d'une première pièce 102 constituée par une conduite 120 terminée par une bride 121. L'une des faces 112 du logement 140 est constituée par la face frontale d'une bride 111 d'une seconde pièce 101 définissant également un tronçon de conduite 110. Les brides 111,121 sont assemblées par des moyens de liaison tels que des boulons 130. Cet exemple de montage n'est nullement limitatif et vise simplement à illustrer la coopération entre des zones de contact du joint 10 et des pièces externes 110,120 définissant un siège ou un logement pour le joint. La structure particulière du joint statique selon l'invention sera maintenant explicitée en référence aux figures 4 à 6 qui représentent en coupe, une zone de contact de joint, telle que par exemple les parties terminales convexes 14,15 du joint en U 10 des figures 1 à 3. La zone de contact de joint comprend un substrat métallique 1 recouvert d'un matériau métallique dur, qui à haute température, ne présente pas de risque de collage sur la pièce interface coopérant avec le joint dans la zone de contact destinée à réaliser l'étanchéité. Le revtement 2 est en un matériau métallique dont la dureté est avantageusement comprise entre 100 et 150 HV, et de préférence est de l'ordre de 120 HV. Le revtement 2 en matériau dur, tel que le nickel, présente de préférence une épaisseur supérieure à 15 um, et plus particulièrement une épaisseur comprise entre 20 zm et 40 m. Le revtement 2 en matériau dur est lui-mme recouvert d'une fine couche 3 d'un matériau métallique de faible dureté, par exemple de l'ordre de 50 HV, qui, par sa capacité de fluage, permet une adaptation aux défauts de surface des pièces d'interface coopérant avec le joint. Le revtement 3 peut tre réalisé par exemple en argent. L'épaisseur de ce revtement en argent 3 peut tre comprise entre 2 et 6 zm et de préférence entre 2 et 4 m. A température ambiante, de l'ordre de 300K, le revtement 3 présente, sous l'effet d'un effort de pression (exercé selon la flèche F de la figure 5) qui peut tre peu élevé, un fluage qui produit des surépaisseurs 3a aptes à pénétrer dans les irrégularités de surface des pièces d'interface et ainsi capables d'assurer une adaptation de la surface extérieure du joint à la surface irrégulière de la pièce d'interface. Jusqu'à des températures de l'ordre de 950 K, le revtement 3 en argent ne présente pas de risque de collage. Lorsque la température s'élève, I'argent présente simplement un fluage plus important. La migration vers t'extérieur des surépaisseurs 3a d'argent dues au fluage est favorisée par le profil bombé C de la zone de contact de joint. Ce profil convexe permet à l'argent de s'évacuer de chaque côté de la zone de contact. La figure 6 montre l'état d'un joint selon l'invention à température élevée, de l'ordre de 1000 à 1100 K. Progressivement, alors que la température tend vers le domaine 1000-1100 K, le nickel du revtement 2 est mis à nu dans une zone 2b. Le risque de collage de l'argent est alors faible du fait de la faible épaisseur du revtement 3 et du fait que l'argent a continué d'tre écarté dans des surépaisseurs 3b de part et d'autre de la zone de contact principale, dans des régions où 1effort de contact résiduel est négligeable. A haute température, et si 1effort de contact exercé dans le sens de la flèche F est suffisant, le nickel du revtement 2 présente lui-mme un phénomène de fluage avec des surépaisseurs 2a qui sont créées de part et d'autre de la zone de contact principale. L'effort de contact est accru lorsque le profil C est convexe comme représenté sur les figures 4 à 6. Le rayon de la partie convexe C du joint est avantageusement inférieur à 1 mm et peut tre de l'ordre de 0,4 à 0, 6 mm. On notera cependant que l'invention est applicable à tout profil de joint dés lors que le matériau du substrat 1 est compatible avec le dépôt d'un revtement 2 en un matériau tel que le nickel. Le comportement d'un joint statique conforme à l'invention soumis à des variations de température allant de la température ambiante ou de faibles températures à des températures très élevées de l'ordre de 1100 K sera décrit de façon plus explicite en référence aux figures 7 à 10. La figure 7 montre l'état initial d'une portion de joint selon l'invention, qui comprend un substrat métallique 1 sur lequel est déposé un premier revtement 2 de nickel définissant une interface 177 avec le substrat 1. Le premier revtement 2 peut présenter une épaisseur de préférence comprise entre 20 et 40 lim. La référence 176 désigne une faible diffusion de particules de nickel dans le substrat 1. Un second revtement 3 en argent est déposé sur le premier revtement 2 en nickel. L'épaisseur optimale du second revtement 3 est comprise entre 2 et 4 zm. Toutefois, de bons résultats peuvent encore tre obtenus dans une plage d'épaisseur comprise entre 2 et 6 hum. A t'état initial le second revtement 3 définit une interface 171 régulière avec le premier revtement 2 et présente une surface libre externe 161 également régulière, sans aspérités marquées. Sur la figure 7, la portion du joint destinée à assurer t'étanchéité n'est pas encore en contact avec la pièce d'interface 150 présentant une surface 151 pourvue d'aspérités, avec laquelle elle doit coopérer. La figure 7 montre ainsi l'état de surface 161 d'une piste d'étanchéité du joint avant son premier contact avec la pièce 150 formant logement ou siège de joint. La figure 8 représente l'état d'une portion de joint selon l'invention après sa mise en contact avec la pièce d'interface 150 à température ambiante, avec un effort de pression qui est exercé dans le sens de la flèche F et peut rester relativement modeste. Compte tenu des bonnes caractéristiques de fluage du revtement d'argent 3, l'ensemble des deux revtements 2 et 3 est déformé de façon à assurer une excellente adaptation de la surface externe du joint à la surface irrégulière 151 de la pièce externe 150. La surface extérieure 162 du revtement 3 épouse ainsi parfaitement la surface irrégulière 151 de la pièce 150. L'interface 172 entre les revtements 2 et 3 en nickel et en argent est également déformée sans toutefois correspondre exactement aux surfaces 151 et 162, compte tenu de la dureté du nickel qui empche une aussi grande adaptation que I'argent. Les espaces plus importants 163 ménagés entre la surface 151 et l'interface 172 sont cependant entièrement occupés par de l'argent du revtement 3 de sorte qu'une excellente étanchéité est réalisée déjà à température ambiante. La figure 9 correspond à une élévation de la température jusqu'a un niveau de l'ordre de 950 K. On voit que l'étanchéité entre ie joint et la pièce 150 est conservée de façon intégrale, mais que des particules d'argent 164 ont diffusé dans la pièce 150. La figure 10 représente t'état du joint à haute température par exemple à 1100 K, après une certaine durée d'utilisation, par exemple de l'ordre de 15 à 30 mn. On constate que, compte tenu de la faible épaisseur du revtement 3, il ne peut pas se produire dans ce revtement 3 de fissure dans une zone située dans le joint, en dessous des irrégularités de la surface 151, comme par exemple dans les réalisations de I'art antérieur de la figure 14, et compte tenu de la présence du revtement d'argent 3 sur le revtement de nickel 2, il ne peut pas non plus se produire d'espace libre significatif au voisinage de la surface 151, comme c'est le cas par exemple avec les réalisations de fart antérieur de la figure 16. Dans le joint selon l'invention, si un collage léger du revtement d'argent 3 sur la surface 151 de la pièce 150 intervient parfois à haute température après un certain temps de fonctionnement, ce léger collage ne provoque pas autre chose qu'une infime fente 180 qui épouse parfaitement les irrégularités de la surface 151 de la pièce 150 et par suite n'affecte pas la barrière d'étanchéité, des lors que l'argent reste présent dans les zones 163 où la distance entre l'interface 172 séparant les revtements 2 et 3 et la surface 151 de la pièce 150 est la plus importante et dès lors qu'aucune fissure ne peut intervenir dans le revtement 2 compte tenu de la dureté du matériau constituant ce revtement. La figure 17 illustre l'amélioration du niveau d'étanchéité obtenu avec un joint statique conforme à l'invention comprenant sur un substrat métallique 1 un premier revtement de nickel 2 relativement épais et un second revtement d'argent 3 très mince, (2 hum), par rapport à un joint de l'art antérieur tel que celui illustré sur les figures 15 et 16, dans lequel seul un revtement de nickel 70 relativement épais est déposé sur un substrat métallique 40. La courbe F1 illustre l'évolution du niveau de fuite en Pa. m3 I s du joint de fart antérieur en fonction du temps exprimé en heures, à une température de 1000 K pour une pression évoluant de façon croissante en fonction du temps jusqu'à 20 M Pa (200 bar) selon la courbe P1. La courbe F2 illustre l'évolution du niveau de fuite en Pa. m31 s du joint selon l'invention en fonction du temps exprimé en heures, à une température de 1000 K pour une pression évoluant de façon croissante en fonction du temps jusqu'à 25 MPa (250 bar) selon la courbe P2. Le joint de l'art antérieur et le joint selon l'invention diffèrent par la nature de leur revtement, mais sont identiques quant à leur forme générale. Dans l'exemple pris en considération les joints présentent une configuration qui pour l'essentiel correspond à celle illustrée sur les figures 1 à3. On constate que le niveau maximum de fuite obtenu avec le joint conforme à l'invention reste environ un million de fois plus faible qu'avec un joint de fart antérieur. Par ailleurs, avec le joint selon l'invention (courbe F2), on obtient rapidement une stabilisation dans le temps à un niveau d'étanchéité satisfaisant, de l'ordre de 10-8 Pa. m3/s. Au contraire, avec le joint selon I'art antérieur, le niveau de fuite augmente fortement avec l'augmentation de la pression, et lorsque celle-ci est stabilisée à une valeur de 20MPa (200 bar), le niveau d'étanchéité ne s'améliore que très lentement (courbe F1), le niveau de fuite résiduel restant, après plusieurs heures, encore de l'ordre de mille fois plus élevé que le niveau de fuite résiduel obtenu déjà après une demi-heure de fonctionnement à haute température avec un joint selon l'invention (courbe F2). On constate ainsi que l'invention apporte un progrès majeur dans la réalisation de joints statiques métalliques qui sont capables de conserver des performances élevées en termes d'étanchéité sur toute une large gamme de températures depuis de faibles températures, par exemple de l'ordre de 73 K, jusqu'à des températures de l'ordre de 1100 K en passant par des températures standards de l'ordre de 300K. Ces performances rendent les joints selon l'invention particulièrement utiles dans le domaine spatial. Dans ce qui précède, on a précisé qu'au moins les zones de contact du joint doivent comporter un substrat métallique 1 recouvert d'un double revtement 2,3. Naturellement, pour des questions de commodité de fabrication et d'homogénéité du joint, l'ensemble de la surface du joint statique, tel que le joint en U 10 des figures 1 à 3 peut comporter le double revtement, y compris dans des zones n'assurant pas de contact d'étanchéité. REVENDICATIONS 1. Joint statique métallique à haute température, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une zone de contact d'étanchéité constituée par un substrat métallique (1) sur lequel sont déposés successivement un premier revtement (2) d'un premier matériau métallique dur à haute résistance élastique dont t'épaisseur est d'au moins environ 15 um, et un second revtement (3) d'un second matériau métallique dont l'épaisseur est comprise entre environ 2 et 6 m et dont la dureté est faible et la capacité de fluage permet une adaptation de la géométrie de la zone de contact d'étanchéité à l'état de surface d'une pièce avec laquelle le joint doit réaliser une étanchéité. 2. Joint statique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier revtement (2) est en un matériau métallique dont la dureté est comprise entre 100 et 150 HV. 3. Joint statique selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le deuxième revtement (3) est en un matériau métallique dont la dureté est de l'ordre de 50 HV. 4. Joint statique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le premier revtement (2) présente une épaisseur comprise entre 20 pm et 40 m. 5. Joint statique selon l'une quelconque des revendications à 4, caractérisé en ce que le second revtement (3) présente une épaisseur comprise entre 2 hum et 4 m. 6. Joint statique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le premier revtement (2) est du nickel et le deuxième revtement (3) est de l'argent. 7. Joint statique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la zone de contact d'étanchéité est convexe et présente une courbure dont le rayon est inférieur ou égal à 1 mm. 8. Joint statique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est adapté pour assurer une étanchéité statique dans une gamme de températures comprises entre 950 et 1100 K.