Brevet FR2918077A1 — publié le 20090102

L'invention concerne un revêtement solide autolubrifiant en carbure de tungstène à 17 % en masse de cobalt (Co) comprenant une matrice en cobalt et au moins une phase de type CoyWZCX avec y supérieur ou égal à 0 (y 0), z supérieur ou égal à 1 (z 1) et z supérieur strictement à x (z > x). Ce type de revêtement est généralement utilisé pour recouvrir la surface de frottement d'une pièce mécanique comme une douille, une rotule, ou un pivot, soumise à des frottements importants dans des conditions de fonctionnement rendant impossible l'utilisation de lubrifiant liquide de type huile ou graisse. C'est souvent le cas des pièces mécaniques de turbomachine fonctionnant dans un environnement à très hautes températures. Plus particulièrement, ce type de revêtement est utilisé pour protéger les pieds des aubes à calage variable d'un compresseur de turboréacteur d'avion, ainsi que les douilles entourant ces pieds d'aube. Ces douilles sont des pièces d'usure généralement montées serrées dans des orifices ménagés dans le carter de stator du compresseur. Elles reçoivent les pieds des aubes à calage variable du compresseur. Un exemple de douille est décrit dans le brevet US publié sous le numéro US 6,481,960 B2. Chaque ensemble douille/pied d'aube est soumis à de nombreux frottements liés au pivotement de l'aube à l'intérieur de la douille ou aux vibrations causées par le fonctionnement du turboréacteur. Les douilles sont réalisées en un matériau plus mou que celui des pivots de sorte qu'elles s'usent en priorité et protègent ainsi ces derniers. De manière à limiter l'usure desdites douilles (et ainsi leur fréquence de remplacement), il est intéressant de diminuer les frottements au niveau des surfaces de contact entre ces douilles et les pieds d'aube. Pour cette raison, il est connu de déposer un revêtement solide autolubrifiant du type précité sur la douille et/ou sur le pied d'aube. Les revêtements du type précité qui sont utilisés jusqu'à présent, comprennent plusieurs phases de type CoyWZCX avec y 0, z 1, et z > x. On utilise, par exemple, un revêtement comprenant trois phases de type CoyWZCX : une première phase W2C ou W6C2,54 ; une deuxième phase WC1_X ; et une troisième phase Co6W6C. De manière générale, les revêtements connus, du type précité, présentent une résistance à l'usure jugée insuffisante, et l'invention a pour but de proposer un revêtement du type précité avec une meilleure résistance à l'usure. Lors de ses recherches ayant conduit à l'invention, le demandeur a découvert que la résistance à l'usure des revêtements était corrélée aux caractéristiques microstructurales de ce revêtement et, en premier lieu, à la présence majoritaire de la phase WC hexagonal parmi les phases de type CoyWzCX. En d'autres termes, le demandeur a découvert que la proportion des phases de type CoyWzCX, autres que la phase WC hexagonal, devait rester faible pour garantir une bonne résistance à l'usure. Ainsi, l'invention a pour objet un revêtement solide autolubrifiant en carbure de tungstène à 17% en masse de cobalt (Co) comprenant une matrice en cobalt et au moins une phase de type CoyWzCX avec y 0, z 1, et z > x, insérée dans ladite matrice, caractérisé en ce que ladite au moins une phase de type CoyWzCX comprend une phase WC hexagonal dans une proportion supérieure ou égale à 85 % en volume. En deçà de la limite de 85 % en volume, la résistance à l'usure du revêtement est jugée insuffisante pour des applications telles que les systèmes douille/pied d'aube à calage variable précités. On notera que, conformément à cette définition de l'invention, lorsque le revêtement comprend une unique phase de type CoyWzCX, il s'agit nécessairement de la phase WC hexagonal et, donc, que la proportion de cette phase est de 100%. Au contraire, lorsque le revêtement comprend N (avec N entier supérieur ou égal à 2) phases de type CoyWzCX, il existe nécessairement parmi ces N phases une phase WC hexagonal et le volume de cette phase représente au moins 85 % du volume total des phases de type CoyWzCX. Avantageusement, la phase WC hexagonal est la seule phase de type CoyWzCX. On obtient ainsi une résistance à la rupture accrue. Par ailleurs, le demandeur a découvert que la répartition de la phase WC hexagonal avait également une influence sur la résistance à la rupture du revêtement en ce sens qu'une répartition uniforme améliorait cette résistance. Ainsi, avantageusement, la phase WC hexagonal est uniformément répartie à l'intérieur dudit revêtement, de sorte que dans n'importe quelle zone de n'importe quel plan de coupe du revêtement, cette zone ayant une surface supérieure ou égale à 100 pm2, la surface de la phase WC hexagonal occupe plus de 55% de la surface de ladite zone. L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un exemple de revêtement selon l'invention. Cette description fait référence aux figures annexées sur lesquelles : - la figure 1 est une image de microscope électronique à balayage en électrons secondaires d'un revêtement A de l'art antérieur, cette image étant prise dans un plan de coupe du revêtement, à un grossissement x5000 ; - la figure 2 est une image analogue à celle de la figure 1 d'un 15 revêtement B selon l'invention ; - la figure 3 est un graphique comparatif des courbes d'usure des revêtements A et B ; - les figures 4 et 5 représentent respectivement un premier et un deuxième type de montages comprenant une douille pour aube de 20 compresseur de turboréacteur. Le revêtement A est un exemple de revêtement connu, réalisé en carbure de tungstène à 17 % en masse de Co, comprenant au sein d'une matrice constituée de Co : une phase WC hexagonal, ainsi que trois autres phases de type CoyWzCX, à savoir : une première phase W2C ou W6C2,54 ; 25 une deuxième phase WC1_X ; et une troisième phase C06W6C. La phase WC hexagonal est dans une proportion surfacique de l'ordre de 20%. Les autres phases de type CoyWzCX ne sont pas différenciées/visibles sur le cliché de la figure 1. La proportion surfacique évoquée correspond au rapport (exprimé en pourcents) entre la surface occupée par la phase WC 30 hexagonal dans une zone quelconque d'un plan de coupe du revêtement, de surface supérieure ou égale à 100 pm2, et la surface de cette zone quelconque. Le revêtement B est un exemple de revêtement selon l'invention. Il s'agit d'un revêtement en carbure de tungstène à 17 % en masse de Co 35 comprenant une matrice en Co et une unique phase WC hexagonal insérée dans ladite matrice. Cette phase WC hexagonal est dans une proportion surfacique de l'ordre de 65%. Le demandeur n'a pas détecté, dans le revêtement B, d'autre phase de type CoyW,CX. Le revêtement B est déposé sur la surface de frottement d'un substrat par projection HVOF (pour High Velocity O)ry-Fuel). Par exemple, on utilise un pistolet de projection HVOF de type Jet-Kote 2, avec : un propulseur de type Deloro Stellite série 2000; un distributeur de poudre de type Jet-Kote 2 à plasmatron; de l'oxygène comme comburant avec un débit de 5001/min; du propane comme combustible avec un débit de 55 1/min; de l'argon comme gaz porteur avec un débit de 40 1/min; et une poudre en carbure de tungstène à 17 de Co en masse, avec un débit de 60 g/min, avec une distance de projection de 300 mm et avec une vitesse linéaire de projection de 75 m/min. En comparant les figures 1 et 2, on constate visuellement que la phase WC hexagonal, qui apparaît sous forme de grains plus clairs que la matrice sur ces images, est nettement plus présente dans le revêtement B que dans le revêtement A. Par ailleurs, on constate que, dans le revêtement B, cette phase WC hexagonal est uniformément répartie. Une manière de qualifier cette répartition uniforme consiste à considérer la surface occupée par la phase WC hexagonal dans une zone quelconque d'un plan de coupe du revêtement (i.e. coupant le revêtement). Toutefois, on considère que, pour être représentative, ladite zone quelconque doit être de surface supérieure ou égale à 100 pm2. De manière générale, la surface occupée par la phase WC hexagonal doit représenter plus de 55 % de la surface de ladite zone quelconque, pour améliorer encore la résistance à la rupture du revêtement. C'est le cas dans le revêtement B de la figure 2. Sur la figure 2, si on considère la zone 10 délimitée par le cadre en pointillés (cette zone mesure 100 pm2), on constate qu'à l'intérieur de cette zone 10, la surface de la phase WC hexagonal (qui apparaît en clair), représente environ 65 % de la surface totale délimitée par le cadre. Pour démontrer que le revêtement B présente une meilleure résistance à l'usure que le revêtement A, on a réalisé des essais de frottement alterné. Les essais de frottement alterné sont menés sur un banc d'essai de frottement alterné à haute température. Deux éprouvettes identiques, revêtues par le même revêtement sont amenées en contact. Une pression est appliquée sur les éprouvettes. Puis les éprouvettes sont animées d'un mouvement linéaire alternatif perpendiculaire à la direction d'application de la pression. Les résultats de ces essais figurent sur le graphique comparatif de la figure 3, ce graphique représentant en abscisse le temps en heures et en ordonnée le volume usé en 10-3 mm3. Dans le cas des essais de la figure 3, la pression entre les éprouvettes était de 4 daN, le mouvement avait une amplitude de 2mm, la fréquence était de 10 Hertz et la température ambiante de l'essai était de 250 C. Comme on peut le constater, le volume usé du revêtement B est nettement supérieur au volume usé du revêtement A, ce qui démontre que le revêtement A est plus résistant à l'usure que le revêtement B. Les figures 4 et 5 représentent une aube 3 à calage variable, sur un carter 5 de stator de compresseur de turboréacteur d'avion. Les aubes 3, dites "fixes", du stator sont disposées radialement à intervalles réguliers à l'intérieur du carter 5. Elles sont fixées au carter par leurs pieds avec un certain angle de calage qui détermine la direction de passage de l'air à travers le compresseur. Les aubes 3 sont dites à calage variable car elles peuvent pivoter suivant la double flèche F, autour de leurs pieds 7, de manière à faire varier l'angle de calage. Des ouvertures 9 sont ménagées dans le carter 5 pour recevoir les pieds d'aube 7, ces ouvertures 9 et ces pieds 7 étant cylindriques. Pour limiter les frottements entre chaque pied 7 et le carter 5, on dispose entre ces deux éléments des douilles 11. Il est possible d'utiliser une ou plusieurs douilles 11 par ouverture. Dans les exemples des figures, deux douilles 11 sont utilisées. Ces douilles sont montées serrées à l'intérieur de l'ouverture 9 de manière à rester solidaires du carter 5, même lorsque ce dernier se dilate à haute température. Chaque douille présente une collerette lia qui déborde de l'ouverture 9 sur la face interne ou externe du carter 5. Les douilles 11 visent à protéger le carter et les pieds d'aube 7, en s'usant à la place de ces derniers éléments. Lorsque les douilles 11 sont trop usées, elles sont remplacées. Pour limiter l'usure de ces douilles, on dépose un revêtement solide autolubrifiant 15 selon l'invention, soit sur la surface de frottement (i.e. la surface intérieure) de ces douilles 11, comme représenté sur la figure 4, soit sur la surface de frottement (i.e. la surface extérieure) du pied d'aube 7, comme représenté sur la figure 5. On pourrait également recouvrir les douilles et le pied d'aube (exemple non représenté). Les douilles 11 et le pied d'aube 7, sont généralement réalisés en un alliage métallique de base fer, nickel, cobalt ou titane. Les revêtements de l'invention présentent de bonnes propriétés d'adhérence avec ce type d'alliage. Bien que les exemples d'application décrits et représentés concerne un ensemble douille/pied d'aube de compresseur de turboréacteur d'avion, le revêtement de l'invention peut s'appliquer, de manière générale, sur une pièce de turbomachine terrestre (turbine à gaz terrestre...) ou aéronautique (turboréacteur, turbopropulseur...). REVENDICATIONS 1. Revêtement solide autolubrifiant en carbure de tungstène à 17% en masse de cobalt (Co) comprenant une matrice en cobalt et au moins une phase de type CoyWZCX avec y 0, z ? 1, et z > x, insérée dans ladite matrice, caractérisé en ce que ladite au moins une phase de type CoyWZCX comprend une phase WC hexagonal dans une proportion supérieure ou égale à 85% en volume. 2. Revêtement solide autolubrifiant selon la revendication 1, dans lequel la phase WC hexagonal est la seule phase de type CoyWZCX. 3. Revêtement solide autolubrifiant selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la phase WC hexagonal est uniformément répartie à l'intérieur dudit revêtement, de sorte que dans n'importe quelle zone de n'importe quel plan de coupe du revêtement, cette zone ayant une surface supérieure ou égale à 100 pm2, la surface de la phase WC hexagonal occupe plus de 55% de la surface de ladite zone. 4. Utilisation d'un revêtement solide autolubrifiant (15) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 pour recouvrir une surface de frottement d'une pièce de turbomachine. 5. Utilisation selon la revendication 4, dans laquelle ladite pièce de turbomachine est une douille (11) pour pied d'aube (7) à calage variable. 6. Utilisation selon la revendication 4, dans laquelle ladite pièce de turbomachine est une aube (7) à calage variable, et dans laquelle ladite surface de frottement se situe au niveau du pied de cette aube (7). 7. Turbomachine comprenant une pièce avec une surface de frottement exposée à des frottements lors du fonctionnement de la turbomachine,ladite surface de frottement étant recouverte par un revêtement solide autolubrifiant (15) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3.