Brevet FR2921938A1 — publié le 20090410

Procédé pour déposer un revêtement d'aluminium sur une pièce métallique creuse. La présente invention concerne le dépôt d'un revêtement d'aluminium sur une pièce métallique, notamment sur une pièce métallique creuse. Elle vise plus particulièrement l'application d'un tel revêtement sur des aubes creuses de turbomachine. Un moteur à turbine à gaz, tel qu'utilisé pour la propulsion dans le domaine aéronautique comprend une entrée d'air atmosphérique qui communique avec un ou plusieurs compresseurs, dont une soufflante généralement, entraînés en rotation autour d'un même axe. Le flux primaire de cet air après avoir été comprimé alimente une chambre de combustion disposée annulairement autour de cet axe et est mélangé à un carburant pour fournir des gaz chauds en aval à une ou plusieurs turbines à travers lesquelles ceux-ci sont détendus, les rotors de turbine entraînant les rotors de compression. Les moteurs fonctionnent à une température des gaz moteurs en entrée de turbine que l'on cherche aussi élevée que possible car les performances lui sont liées. Dans ce but les matériaux sont sélectionnés pour résister à ces conditions de fonctionnement et les parois des pièces balayées par les gaz chauds, telles que les distributeurs ou les ailettes mobiles de turbine, sont pourvues de moyens de refroidissement. Par ailleurs, en raison de leur constitution métallique en superalliage à base de nickel ou de cobalt, il est nécessaire aussi de prémunir celles-ci de l'érosion et de la corrosion engendrées par les constituants des gaz moteurs à ces températures. Un moyen connu pour assurer la protection de ces pièces est de déposer un revêtement à base d'aluminium sur les surfaces susceptibles d'agression par les gaz. L'aluminium se fixe au substrat par inter-diffusion métallique et forme une couche protectrice d'oxyde en surface. L'épaisseur du revêtement est de l'ordre de quelques dizaines de microns. La présente invention se rapporte à la technique, en soi connue, de dépôt de l'aluminium en phase vapeur ou encore désignée aluminisation par dépôt en phase vapeur. Selon le procédé, on dispose les pièces à traiter dans une enceinte dans laquelle l'atmosphère est constituée d'un mélange d'un gaz inerte ou réducteur, par exemple argon ou hydrogène, et d'un gaz actif comprenant un halogénure d'aluminium. A la température de réaction, entre 900°C et 1150°C, l'halogénure se décompose à la surface de la pièce en halogène gazeux et en aluminium. Le métal diffuse ensuite dans le métal. On produit l'halogénure en disposant dans l'enceinte avec les pièces à traiter, des blocs de métal aluminium ou d'alliage d'aluminium qui forment le donneur, en présence de granules d'un composé d'halogène, chlore ou fluor, qui forment l'activateur. Il s'agit par exemple de NH4F ou de NH4C1. On fait circuler le gaz inerte sur l'activateur à une température permettant la sublimation de l'halogène qui est entraîné sur le donneur et avec lequel il réagit pour produire l'halogénure métallique qui est sous forme vapeur. L'halogénure migre vers les pièces à traiter et se décompose ensuite au contact du substrat métallique à revêtir permettant le dépôt de l'aluminium ; l'halogène gazeux est reformé. Par ailleurs pour ce qui concerne les pièces de turbomachine, de type statorique aussi bien que mobile, lorsqu'elles sont pourvues de cavités internes parcourues par un fluide de refroidissement, de l'air prélevé au compresseur, on a constaté que les parois de ces cavités étaient également sujettes à corrosion. Des retours de pièces utilisées sur des moteurs travaillant dans certains environnements particulièrement agressifs, ont montré une attaque de ces surfaces. On a relevé, par exemple, une corrosion interne des distributeurs, des libérations de plaques de corrosion dans la cavité des distributeurs, le bouchage des trous d'évents de bord de fuite, etc. Une protection pour ces parties de pièces est donc également nécessaire. Le mode d'aluminisation par dépôt en phase vapeur convient bien a priori pour appliquer un revêtement de protection également en interne car le gaz porteur et les vapeurs des composants actifs sont susceptibles de pénétrer dans les passages étroits de circulation du fluide de refroidissement dans la mesure où ces passages sont ouverts. La réalité montre que ce n'est pas le cas. L'épaisseur de la couche de protection n'est pas uniforme ; elle diminue fortement à partir des orifices d'accès des cavités. Par ailleurs des accumulations se forment au niveau des trous d'évent des cavités réduisant la section de passage et les propriétés de refroidissement de la pièce. Dans la demande de brevet FR 2830874 au nom de la demanderesse on décrit un procédé d'aluminisation par dépôt en phase vapeur de pièces de turbomachines métalliques pourvues de trous et de cavités communiquant avec l'extérieur selon lequel un précurseur gazeux du dépôt à réaliser comprenant un composé de l'aluminium est amené avec l'aide d'un gaz porteur au contact des surfaces de la pièce disposée dans une enceinte, le gaz porteur est soi l'hélium soit l'argon et la pression dans l'enceinte est choisie de telle manière que le libre parcours moyen des molécules du gaz porteur est deux fois supérieur à celui des molécules d'argon sous pression atmosphérique. Le libre parcours moyen des molécules est usuellement défini comme le rapport 1/P*D2 où P est la pression régnant dans l'enceinte et D le diamètre moléculaire. Par l'allongement du libre parcours moyen des molécules du gaz porteur, la diffusion de l'halogénure dans les canaux internes est accrue et l'épaisseur du dépôt dans les zones moins accessibles par la méthode classique est augmentée ; la protection globale en est améliorée. L'augmentation du libre parcours résulte soit du choix du gaz porteur, là l'hélium, soit d'une diminution de la pression comme on peut le déduire de la formule ci-dessus. L'invention a pour objet une variante de procédé permettant d'obtenir un revêtement des parois des cavités internes sur toute la surface avec une 20 épaisseur suffisante. Conformément à l'invention, on parvient à ce résultat avec un procédé d'aluminisation par dépôt en phase gazeuse d'une pièce métallique comportant des cavités internes communiquant avec l'extérieur, selon 25 lequel la pièce est disposée dans une enceinte chauffée et soumise pendant une durée déterminée à l'action d'un halogénure d'aluminium en mélange avec un gaz porteur, caractérisé par le fait que la pression de l'enceinte est maintenue en surpression par rapport à l'atmosphère pendant la durée du traitement. 30 Alors que dans les procédés antérieurs on cherchait plutôt à réduire la pression en raison de sa relation avec le libre parcours moyen des particules gazeuses, on a constaté que l'on obtenait de bons résultats en augmentant au contraire la pression. Cette pression est avantageusement maintenue 35 entre 30 et 300 mbars au dessus de la pression atmosphérique et de préférence entre 50 et 200 mbars au dessus de la pression atmosphérique. Dans le cas d'aubes de turbine de moteurs à turbine à gaz notamment aéronautiques, le procédé permet donc d'atteindre et protéger des zones 40 sujettes à une forte corrosion et difficilement réparables. Conformément à une autre caractéristique, on alimente en permanence par une première ouverture, pendant la durée du traitement, l'enceinte en gaz porteur, qui est par exemple de l'argon, de manière à permettre un renouvellement constant de l'halogénure au contact de la pièce. Par ailleurs, on extrait le gaz porteur par une seconde ouverture distante de la première, de manière à assurer un balayage de l'enceinte. Conformément à une autre caractéristique de l'invention, on fait varier la pression de l'enceinte autour de la pression nominale périodiquement pendant au moins une partie du traitement. Cette variation permet d'améliorer encore le renouvellement de l'halogénure venant au contact de la pièce à traiter. On connaît le brevet FR2306276 qui porte sur un procédé d'enduction consistant à entourer la pièce dans une enceinte avec un paquet particulaire. La pièce est plongée dans un paquet constitué des donneurs et activateurs. Le paquet comprend un métal tel que l'aluminium avec un halogénure d'activation et on fait varier cycliquement la pression d'un gaz inerte ou réducteur tel que l'argon tout en maintenant l'enceinte à une température suffisante pour transférer le métal enducteur sur la surface de la pièce et y former un enduit par diffusion. Toutefois la pression maximale est de 100 Torr, bien en dessous de la pression atmosphérique. Elle varie de 10 à 50 Torr à raison de deux cycles par minute. Le dépôt se forme par vapeur mais surtout par diffusion de contact. Ce procédé de type cémentation en paquet nécessite des installations spécifiques qui permettent difficilement une industrialisation de l'aluminisation, avec une qualité de revêtement moindre. De préférence la période de variation de la pression est comprise entre 1 et 10 minutes et la pression est mise à varier entre deux valeurs limites, ces deux valeurs de pression étant respectivement 50 et 150 mbars au dessus de la pression atmosphérique. On décrit maintenant un mode de réalisation de l'invention, non limitatif, en référence aux dessins sur lesquels La figure 1 représente un secteur de distributeur de turbine formé d'une pluralité de pales fixes refroidies par circulation d'un flux d'air dans 40 des cavités internes ; La figure 2 montre en coupe selon le plan II-II de la figure une pale du distributeur de la figure 1 ; La figure 3 montre un installation pour le traitement d'aluminisation par dépôt en phase vapeur. La figure 4 est un graphique montrant la variation du niveau de pression à l'intérieur de l'enceinte selon une variante de l'invention. La figure 5 est un graphique montrant la variation de l'épaisseur de la couche déposée sur les parois de cavités internes des pales fixes selon une technique de l'art antérieure et la technique de l'invention. Comme cela l'a été précisé ci-dessus, la présente invention concerne plus particulièrement les pièces de moteur à turbine à gaz soumises en fonctionnement à un gaz moteur à température élevée et qui sont refroidies par circulation d'air dans des cavités internes. L'invention est particulièrement applicable, quoique non exclusivement, à certains éléments ou pièces de moteur tels que les chambres de combustion, les distributeurs ou aubes fixes, les aubes mobiles de turbine, les écrans thermiques, les éléments de tuyères, etc. Ces pièces sont réalisées en alliages réfractaires ou superalliages forgés ou moulés à base de nickel ou de cobalt. Ces superalliages présentent une grande rigidité dimensionnelle à haute température ce qui leur permet de n'accuser que des déformations limitées sous l'effet des contraintes mécaniques et thermiques, mais par contre leur tenue à l'oxydation et à la corrosion par les gaz chauds est faible, d'où la nécessité de protéger ces alliages réfractaires contre l'oxydation et la corrosion par les gaz chauds au moyen d'un revêtement de la surface des pièces avec un métal ou un alliage pouvant donner naissance à une couche protectrice par formation d'oxydes stables à la température de fonctionnement. Cette couche protectrice doit par ailleurs présenter une bonne adhérence à l'alliage de base et ne pas s'écailler sous l'effet des déformations d'origine mécanique ou thermique. Une pièce concernée par le procédé de l'invention est représentée sur la figure 1. Il s'agit d'un secteur 1 de distributeur de turbine basse pression dans un moteur à turbine à gaz à double corps. Le secteur comprend quatre aubes fixes 3, 4, 5 et 6 disposées transversalement entre deux plateformes 7 et 8 définissant la veine de gaz. Les parois de cette pièce au contact des gaz chauds sont refroidies par circulation d'un flux d'air à l'intérieur de cavités internes qui sont ménagées notamment dans les aubes. On voit sur la figure 2 une coupe transversale d'une aube 3. Les cavités sont délimitées par les parois 31 de l'aube, qui sont minces, et des cloisons 32 perpendiculaires à ces parois. Des évents 33 permettent l'évacuation de l'air de refroidissement dans la veine de gaz en formant éventuellement un film superficiel d'air en surface de la paroi. On a constaté que la surface interne des parois 31 et celle des cloisons 32 pouvaient être sujettes à une corrosion lorsque les conditions de fonctionnement du moteur étaient sévères. Pour cette raison l'application d'un revêtement est-elle souhaitable. 10 Cependant la technique conventionnelle d'aluminisation par dépôt en phase vapeur ne permet pas d'obtenir un résultat satisfaisant comme on peut le constater sur le graphique de la figure 4. Sur cette figure, on a représenté l'épaisseur en ordonnée, mesurée à l'intérieur des parois en plusieurs points 15 en abscisse, le long de la corde de la pale, entre le bord d'attaque BA et le bord de fuite BF de l'aube. On a fait ces mesures pour plusieurs niveaux entre le pied et le sommet de la pale. La répartition n'est pas uniforme le long de l'intrados et l'extrados ; on constate une variation importante aussi entre le pied et le sommet de la pale. 20 La figure 3 montre très schématiquement une installation conventionnelle d'aluminisation par dépôt en phase vapeur. Une enceinte 12 est montée à l'intérieur d'un four 14 capable de chauffer 25 les pièces à une température de 1200°C. Dans cette enceinte sont disposées des boîtes 16, ici trois superposées, chacune avec un couvercle 16'. Ces boîtes contiennent les pièces à traiter P, par exemple des distributeurs de turbine, avec le donneur D métallique sous forme de poudre ou de blocs contenus dans des paniers et l'activateur A sous forme de poudre dont une 30 faible quantité suffit. L'enceinte 12 comprend une alimentation 18 en gaz porteur de purge, une première ouverture d'alimentation 19 en gaz porteur de balayage et une seconde ouverture d'évacuation 20 commandée par une vanne 21. L'alimentation 18 débouche dans la partie basse des boîtes 16 pour assurer un balayage aussi complet que possible des pièces. 35 L'ouverture 19 débouche dans la partie supérieure de l'enceinte 12 et la seconde ouverture 20 pour l'évacuation, dans la partie inférieure. Après avoir disposé les pièces, le donneur et l'activateur dans les boîtes, on commence par purger l'enceinte 12 en introduisant le gaz porteur, argon 40 par exemple, par la conduite 18. On interrompt l'alimentation quand l'air5 de l'enceinte a été remplacé par l'argon. On actionne ensuite le chauffage du four pour élever la température jusqu'à 950-1200°C tout en alimentant l'enceinte en argon par l'ouverture 19. L'excès de gaz est évacué par la seconde ouverture 20. A la température d'activation de l'activateur A, l'halogène, chlore ou fluor est libéré. En venant au contact du donneur l'halogène réagit avec le métal et forme un halogénure. L'halogénure du métal ainsi formé est sous forme de vapeur et circule dans l'enceinte, plus particulièrement à l'intérieur des boîtes 16 où il vient au contact des pièces métalliques. A ce moment l'halogénure se décompose en halogène et métal. Le métal libéré se dépose sur la pièce et diffuse en profondeur pour former une couche qui en s'oxydant forme une couche de protection. L'argon est introduit en permanence par la conduite 19 dans l'enceinte 12 et est évacué par la seconde ouverture 20. La durée du traitement est comprise entre 2 et 6 heures. Conformément à l'invention, on contrôle l'alimentation en gaz porteur de manière à ce que la pression à l'intérieur de l'enceinte soit au dessus de la pression atmosphérique. Le gaz porteur est introduit dans l'enceinte à un débit et une pression déterminés et constants. On contrôle la pression dans l'enceinte au moyen de la vanne 21. Il s'agit par exemple d'une vanne papillon à commande pneumatique. Selon une première mise en oeuvre du procédé de l'invention, la pression est maintenue à une valeur comprise entre 30 et 300mbars au dessus de la pression atmosphérique par le moyen de la commande de la vanne 21. On a ainsi procédé à un traitement d'aluminisation en assurant un débit constant de gaz par l'ouverture 19 et en réglant la vanne de façon que la pression à l'intérieur de l'enceinte se stabilise à une valeur de 40 mbars + ou û 2 mbars. Selon une variante du procédé, on fait varier cycliquement la pression à l'intérieur de l'enceinte, de telle façon qu'il se produise un phénomène de battements. Par exemple pendant le traitement d'aluminisation on a alimenté l'enceinte en argon en débit constant par l'ouverture 19 tout en faisant varier le débit d'évacuation par l'ouverture 20 au moyen de la vanne 21. L'ouverture de la vanne était commandée en fonction de la pression régnant à l'intérieur de l'enceinte. Le graphique de la figure 4 montre la variation de pression B relevée à l'intérieur de l'enceinte en fonction du temps. La pression a varié en continue entre deux valeurs extrêmes, 40 mbars et 170 mbars. La période de fluctuation de la pression était d'une minute environ. Sur ce graphique on a représenté le niveau de pression régnant à l'intérieur de l'enceinte selon l'art antérieur. Cette pression A relativement faible, surpression de l'ordre de 10 mbars, avait pour fonction d'éviter l'entrée d'air extérieur susceptible de polluer l'aluminisation mais n'avait aucune incidence sur la qualité du dépôt. Il est à noter qu'un paramètre important est dans cette variante la valeur de la différence de pressions entre lesquelles elle fluctue dans l'enceinte : plus 10 l'intervalle est grand, meilleur est le dépôt. La pression est limitée à 300mbars car les installations ne peuvent dépasser cette limite aujourd'hui. On suppose qu'une pression plus élevée serait bénéfique. 15 Sur la figure 5, on a représenté sur un graphique l'épaisseur de la couche d'aluminium formée en surface des parois intérieures des aubes. On constate que cette épaisseur A est quasi nulle du côté du bord d'attaque de 20 part et d'autre le long d'une partie de l'intrados et de l'extrados. Selon le procédé on obtient une épaisseur plus uniforme, par exemple entre 50 et 70 �m, aussi bien sur le pourtour de l'aube qu'entre le pied et le sommet de l'aube. 25 L'épaisseur de la couche interne est à comparer avec celle que l'on trouve après traitement sur la surface externe de la pièce qui est figure en C sur la figure 5. Revendications 1. Procédé d'aluminisation par dépôt en phase gazeuse d'une pièce métallique (P), notamment de turbomachine, comportant des cavités internes parcourues en fonctionnement par un fluide de refroidissement et communiquant avec l'extérieur, selon lequel la pièce est soumise dans une enceinte (12) chauffée pendant une durée déterminée à l'action d'un halogénure d'aluminium en mélange avec un gaz porteur, caractérisé par le fait que l'enceinte (12) est maintenue en surpression par rapport à l'atmosphère pendant la durée du traitement. 2. Procédé selon la revendication précédente selon lequel la pression est maintenue entre 30 et 300 mbars au dessus de la pression 15 atmosphérique. 3. Procédé selon la revendication précédente selon lequel la pression est maintenue entre 50 et 200 mbars au dessus de la pression atmosphérique. 20 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes selon lequel on alimente par une première ouverture (19) en permanence, pendant la durée du traitement, l'enceinte (12) en gaz porteur, qui est extrait par une seconde ouverture (20) de manière à assurer un balayage de 25 l'enceinte. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes selon lequel on fait varier la pression autour de la pression nominale de l'enceinte périodiquement pendant au moins une partie du traitement 6. Procédé selon la revendication précédente selon lequel la période de variation de la pression est comprise entre 1 et 10 minutes. 7. Procédé selon l'une des revendications 5 et 6 selon lequel la pression 35 varie entre un minimum de 50 mbars et un maximum de 200 mbars. 30