Brevet FR2915751A1 — publié le 20081107

B 08-1401 FR Société dite : General Electric Company Article comportant un revêtement protecteur et procédé Invention de : GHASRIPOOR Farshad FORTE Guido Felice WELCH David E. POTDAR Yogesh Kesrinath Priorité d'une demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 4 mai 2007 sous le n 11/744.506 Article comportant un revêtement protecteur et procédé La présente invention concerne un article résistant à l'usure et au grippage et concerne plus particulièrement un revêtement protecteur pour cet article. Dans les applications où des appareils et organes mécaniques sont soumis à des conditions extrêmes telles qu'une forte pression de vapeur et des contraintes thermiques élevées, l'usure et le grippage de l'article peuvent avoir un effet défavorable sur la fiabilité et la durée de vie des composants des appareils. Les soupapes de turbines à vapeur sont un exemple parmi d'autres d'un composant qui présente une probabilité accrue de grippage ou d'usure significative sur ses surfaces glissantes et de contact en raison des conditions de fonctionnement extrêmes de la turbine à vapeur. Les composants de soupapes ont des cycles d'ouvertures et de fermeture fréquents, des charges de chocs importantes et une pression de vapeur significative pendant le démarrage à froid, à chaud ou avec surchauffe d'une turbine à vapeur. Ces contraintes répétées favorisent l'usure et le grippage des soupapes de turbines à vapeur. Les surfaces concernées sont, entre autres, les clapets de soupapes, les sièges de soupapes, les tiges de soupapes, les guides de soupapes et les chambres d'équilibrage. Parmi les conséquences du grippage et de l'usure des soupapes de turbines à vapeur, on peut citer les fuites, l'incapacité à ouvrir la soupape, qui entraîne une panne de production et de distribution d'énergie à un réseau, une incapacité à isoler le chemin de vapeur et une étanchéité sérieusement compromise du chemin de vapeur au niveau de la soupape, ce qui provoquerait un emballement de la turbine en cas d'arrêt d'urgence. Comme autres exemples de pièces susceptibles de subir une usure et un grippage, on peut citer, de façon non limitative, les ailettes, les buses et les turbines. Par le passé, on a appliqué des nitrures ou des carbures projetés par voie thermique sur des pièces pour prévenir l'usure et le grippage. Cependant, les revêtements de couches/surfaces aux nitrures ne peuvent être appliqués qu'à certaines classes de matériaux et les alliages à base de nickel ne peuvent pas être nitrurés dans un gaz, un plasma ou un bain de façon traditionnelle. De plus, ces revêtements aux nitrures confèrent une dureté Vickers d'environ 1000, qui ne donne pas une résistance à l'usure et au grippage adéquate. En outre, la formation de nitrures avec des alliages inadaptés (c'est-à-dire non nitrurables) peut réduire sérieusement la résistance à la corrosion de certains de ces alliages. La nitruration peut aussi être réversible au-dessus de 593 C (1100 F) environ, ce qui se traduit par une perte de dureté de surface. Par conséquent, il existe un besoin pour un article résistant à l'usure et au grippage qui soit simple et économiquement attractif, destiné à fonctionner dans des conditions variées, comme des conditions de forte pression et de fortes contraintes thermiques. La présente invention propose un article comportant une première surface et une deuxième surface adaptée pour venir en contact avec la première surface et un premier revêtement protecteur sur au moins une partie de la première surface. Le premier revêtement protecteur comprend une première couche de revêtement comprenant un premier composant et un deuxième composant. Le premier composant comprend du bore, du titane ou du chrome et le deuxième composant comprend de l'azote ou du carbone. Au moins une partie du premier revêtement protecteur vient en contact avec la deuxième surface lorsque la deuxième surface vient en contact avec la première surface. Par ailleurs, la présente invention propose un procédé pour réduire l'usure et le grippage d'une première surface d'un article. Le procédé comprend l'application d'un revêtement sur la première surface de l'article. Le revêtement comprend un premier composant comprenant du bore, du titane ou du chrome et un deuxième composant comprenant de l'azote ou du carbone. L'article comprend en outre une deuxième surface adaptée pour venir en contact avec au moins une partie du revêtement présent sur la première surface de l'article. En outre, la présente invention propose un procédé d'application d'un revêtement protecteur sur une soupape pour réduire l'usure et le grippage d'au moins une partie de la soupape. Le procédé comprend le dépôt, sur au moins une partie de la soupape, d'un premier revêtement comportant un premier composant comprenant du bore, du titane ou du chrome et un deuxième composant comprenant de l'azote ou du carbone. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, en se référant au dessins annexé, dans lequel : la figure 1 est une vue en coupe transversale d'une soupape de turbine à vapeur selon un mode de réalisation de la présente invention. Comme résumé ci-dessus, la présente invention propose un article, un procédé de réduction de l'usure et du grippage d'une première surface d'un article, et un procédé d'application d'un revêtement protecteur sur une soupape. Des modes de réalisation de l'article, des modes de réalisation du procédé d'amélioration de la résistance à l'usure et au grippage de l'article et des modes de réalisation du procédé d'application d'un revêtement protecteur sur une soupape sont décrits ci-dessous et illustrés sur la figure 1. La figure 1 représente un article 10 comportant une première surface 12 et comprenant un premier revêtement protecteur 14 sur au moins une partie de la première surface. Dans ce mode de réalisation, l'article 10 comprend une soupape de turbine à vapeur comportant une tige correspondant à la première surface 12. L'article 10 comprend en outre une deuxième surface 16, qui est un guide de soupape, comportant un deuxième revêtement protecteur 18. La soupape 10 comprend de plus un clapet de soupape 20 et un siège de soupape 22. La deuxième surface 16 est adaptée pour venir en contact avec la première surface 12, de sorte que le premier revêtement protecteur 14 vient en contact avec au moins une partie de la deuxième surface. Dans le mode de réalisation représenté, le premier revêtement protecteur 14 vient en contact avec la partie de la deuxième surface 16 qui comporte le deuxième revêtement protecteur 18. Grâce au contact du premier revêtement protecteur 14 avec la deuxième surface 16, l'usure et le grippage de la première surface 12 sont réduits. Il est bien entendu, cependant, que dans d'autres modes de réalisation, l'article peut comprendre n'importe quel article ou dispositif nécessitant un revêtement protecteur. Par exemple, l'article peut comprendre d'autres types de soupapes et d'autres types de composants de soupapes. La première surface 12 peut comprendre n'importe quel matériau capable de supporter la température de processus minimum de l'application dans laquelle l'article doit être utilisé. Par exemple, une surface de soupape de turbine à vapeur doit être capable de supporter des températures d'au moins 537 C (1000 F) environ. Dans certains modes de réalisation, la première surface peut être capable de supporter des températures comprises entre 454 C (850 F) et 593 C (1100 F). Comme exemples de matériaux adaptés à une utilisation comme première surface 12 dans les modes de réalisation de la présente invention, on peut citer le nickel, les alliages de nickel, les superalliages à base de nickel, le cobalt, les alliages à base de cobalt et de nickel, les aciers et leurs combinaisons. Le premier revêtement protecteur 14 comprend une première couche de revêtement. La première couche de revêtement comprend un premier composant et un deuxième composant. Comme exemples de premiers composants appropriés pour les modes de réalisation de la présente invention, on peut citer, de manière non limitative, le bore, le titane et le chrome. Le deuxième composant peut comprendre, de manière non limitative, de l'azote ou du carbone, par exemple. Ainsi, dans les modes de réalisation où le premier composant comprend du titane, la première couche de revêtement peut comprendre du nitrure de titane (qui a une température de fonctionnement maximale d'environ 565 C) ou du carbure de titane. Dans d'autres modes de réalisation où le premier composant comprend du chrome, la première couche de revêtement peut comprendre du nitrure de chrome ou du carbure de chrome. Enfin dans d'autres modes de réalisation où le premier composant comprend du bore, la première couche de revêtement peut comprendre du nitrure de bore ou du carbure de bore. Dans un autre mode de réalisation, la première couche de revêtement peut comprendre un troisième composant. Comme exemples de troisièmes composants adaptés pour les modes de réalisation de la présente invention, on peut citer, de manière non limitative, l'aluminium et le carbone. Ainsi, dans certains modes de réalisations, la première couche de revêtement peut comprendre du nitrure d'aluminium et de titane. Les modes de réalisation du premier revêtement protecteur 14 améliorent la résistance à l'usure et au grippage de la soupape de turbine à vapeur 10 en conférant à cette dernière une dureté Vickers comprise entre 1500 et 3500 environ. Puisque le premier revêtement protecteur 14 présente une dureté élevée, il donne une bonne résistance à l'abrasion et une bonne résistance à l'érosion. De plus, le premier revêtement protecteur 14 donne généralement une bonne résistance à l'usure par glissement, une bonne résistance à l'oxydation et un faible frottement. Dans certains modes de réalisation, le premier revêtement protecteur 14 peut comprendre la première couche de revêtement et une deuxième couche de revêtement disposée sur la première couche de revêtement. La première couche de revêtement a une première dureté et la deuxième couche de revêtement a une deuxième dureté, inférieure à la première dureté, ou vice-versa. Dans d'autres modes de réalisation, un revêtement protecteur peut comporter plus de deux couches de revêtement, ayant chacune une dureté différente. Dans ces revêtements protecteurs, l'application de plusieurs couches de revêtement donne des revêtements protecteurs plus ductiles en minimisant les contraintes résiduelles dans les revêtements tout en donnant l'épaisseur de revêtement totale voulue. La deuxième couche de revêtement peut comprendre n'importe quel composant pouvant être inclus dans la première couche de revêtement. Par exemple, dans des modes de réalisations particuliers, la deuxième couche de revêtement peut comprendre du titane, du chrome, ou du nitrure d'aluminium et de titane. Dans d'autres modes de réalisation, la deuxième couche de revêtement peut comprendre du nitrure de titane, du carbure de titane, du nitrure de chrome, du carbure de chrome, du nitrure de bore ou du carbure de bore. La deuxième couche de revêtement minimise les contraintes dans le premier revêtement protecteur 14, et permet donc d'obtenir des revêtements protecteurs ayant une épaisseur totale supérieure à celle des revêtements protecteurs constitués uniquement de métal ou de nitrure ou de carbure. Par exemple, dans des modes de réalisation particuliers, la première couche de revêtement peut comprendre du nitrure d'aluminium et de titane tandis que la deuxième couche de revêtement comprend du titane, ou bien la première couche de revêtement peut comprendre du nitrure de chrome tandis que la deuxième couche de revêtement peut comprendre du chrome. Selon des modes de réalisation particuliers de l'invention dans lesquels la première couche de revêtement comprend un troisième composant, le troisième composant est présent dans la première couche de revêtement en une quantité représentant d'environ 20 % à environ 30 % du nombre d'atomes de la première couche de revêtement. Dans des modes de réalisation particuliers, dans lesquels la première couche de revêtement comprend du nitrure d'aluminium et de titane, cette quantité du troisième composant, l'aluminium, apporte une dureté suffisante et une température d'oxydation élevée. Ainsi, dans un mode de réalisation où la première couche de revêtement comprend du nitrure d'aluminium et de titane, le rapport en poids du titane sur l'aluminium est d'environ 74 à 26. Dans d'autres modes de réalisation, la dureté de la première couche de revêtement est augmentée et le rapport en poids du titane sur l'aluminium est inférieur à 70 à 30. Dans un autre mode de réalisation, la couche supérieure peut constituer une couche dure ayant une structure complexe telle que TiAlN où l'aluminium est présent en une quantité représentant de 20 à 30 % du nombre d'atomes. Avec un pourcentage atomique de 26 % d'aluminium, le revêtement TiAlN apporte une dureté et une température d'oxydation élevées. En outre, une augmentation de la teneur en aluminium améliorerait la résistance à l'oxydation et diminuerait la dureté. Dans certains modes de réalisation, la première couche de revêtement a une épaisseur d'environ 1 micromètre à environ 5 micromètres. Dans les modes de réalisation où le revêtement protecteur 14 comprend plusieurs couches de revêtement, chaque couche peut faire d'environ 1 micromètre à environ 5 micromètres d'épaisseur. Dans certains modes de réalisation, le revêtement protecteur 14 a une épaisseur totale d'environ 1 micromètre à environ 50 micromètres. Les modes de réalisation de la deuxième surface 16 peuvent comprendre des matériaux similaires aux matériaux de la première surface 12 décrite plus haut. Le deuxième revêtement protecteur 18 peut comprendre une couche de revêtement similaire à la première couche de revêtement du premier revêtement protecteur 14 décrit plus haut. Dans des modes de réalisation particuliers, le deuxième revêtement protecteur 18 peut comprendre une pluralité de couches de revêtement similaires aux couches de revêtement du premier revêtement protecteur 14 décrit plus haut. Le deuxième revêtement protecteur 18 est présent sur au moins une partie de la deuxième surface 16 et peut comprendre une deuxième couche de revêtement. La deuxième couche de revêtement peut comprendre un troisième composant et un quatrième composant, le troisième composant comprenant du bore, du titane ou du chrome et le quatrième composant comprenant de l'azote ou du carbone. Dans un mode de réalisation, la deuxième couche de revêtement a une dureté Vickers comprise entre environ 300 et environ 1500. Le premier revêtement protecteur 14 peut être appliqué sur un article tel que la soupape de turbine à vapeur 10 en déposant une première couche de revêtement sur la première surface 12 de l'article. La première couche de revêtement comprend un premier composant et un deuxième composant. Le premier composant peut comprendre du bore, du titane ou du chrome. Le deuxième composant peut comprendre du carbone ou de l'azote. Dans des modes de réalisation particuliers, le dépôt de la première couche de revêtement peut comprendre un dépôt par arc cathodique ou un dépôt par faisceau d'électrons. Dans les modes de réalisation dans lesquels le revêtement protecteur comprend plusieurs couches de revêtement, les couches de revêtement peuvent être appliquées successivement pour former le revêtement protecteur 14. 9 REVENDICATIONS 1. Article (10) comprenant : une première surface (12) et une deuxième surface (16) adaptée pour venir en contact avec la première surface (12) ; et un premier revêtement protecteur (14) sur au moins une partie de la première surface (12), le premier revêtement protecteur (14) comprenant une première couche de revêtement, la première couche de revêtement comprenant un premier composant et un deuxième composant, le premier composant comprenant du bore, du titane ou du chrome et le deuxième composant comprenant de l'azote ou du carbone, au moins une partie du premier revêtement protecteur (14) venant en contact avec la deuxième surface (16) lorsque la deuxième surface (16) vient en contact avec la première surface (12). 2. Article (10) selon la revendication 1, dans lequel la première couche de revêtement comprend du nitrure de titane, du carbure de titane, du nitrure de chrome, du carbure de chrome, du nitrure de bore ou du carbure de bore. 3. Article (10) selon la revendication 1, dans lequel la première couche de revêtement comprend en outre un troisième composant comprenant de l'aluminium ou du carbone. 4. Article (10) selon la revendication 1, dans lequel la première couche de revêtement a une première dureté et le premier revêtement protecteur (14) comprend en outre une deuxième couche de revêtement ayant une deuxième dureté, la deuxième dureté étant inférieure à la première dureté. 5. Article (10) selon la revendication 1, dans lequel le premier revêtement protecteur (14) comprend en outre une deuxième couche de revêtement. 6. Article (10) selon la revendication 5, dans lequel la deuxième couche de revêtement comprend du titane ou du nitrure d'aluminium et de titane. 7. Article (10) selon la revendication 1, dans lequel le premier revêtement protecteur (14) a une épaisseur totale d'environ 1 micromètre à environ 50 micromètres. 8. Article (10) selon la revendication 1, comprenant en outre un deuxième revêtement protecteur (18) sur au moins une partie de la deuxièmesurface (16), le deuxième revêtement protecteur (18) comprenant une deuxième couche de revêtement, la deuxième couche de revêtement comprenant un troisième composant et un quatrième composant, le troisième composant comprenant du bore, du titane ou du chrome et le quatrième composant comprenant de l'azote ou du carbone. 9. Article (10) selon la revendication 5, dans lequel la deuxième couche de revêtement a une dureté Vickers comprise entre environ 300 et environ 1500. 10. Procédé permettant de réduire l'usure et le grippage d'une première surface (12) d'un article (10), comprenant l'application d'un revêtement (14) sur la première surface (12) de l'article (10), le revêtement (14) comprenant un premier composant comprenant du bore, du titane ou du chrome et un deuxième composant comprenant de l'azote ou du carbone, l'article (10) comprenant en outre une deuxième surface (16) adaptée pour venir en contact avec au moins une partie du revêtement (14).