CH620623A5 - - Google Patents

Description

La présente invention concerne un procédé pour remettre à neuf une pièce de turbine aérodynamique, notamment une aube en un alliage contenant du cobalt et du silicium.

Les pièces utilisées actuellement dans les turbines des avions, des centrales électriques et autres n'ont qu'une durée utile limitée, au terme de laquelle on les enlève et on les met au rebut puisqu'elles ne sont plus capables d'assurer leur fonction. Or, étant donné que le coût de ces pièces est élevé, on conçoit que la maintenance de ces turbines représente une dépense considérable. Cette dépense s'ajoute à la perte que représente l'immobilisation de l'équipement considéré et à celle nécessaire pour installer les pièces de rechange. Jusqu'à présent, un remplacement fréquent de ces pièces était nécessaire pour maintenir l'équipement dans des conditions de fonctionnement fiables, ce qui se traduisait par des charges d'exploitation extrêmement élevées.

Le procédé selon l'invention, défini dans la revendication 1, permet d'éviter les inconvénients que représente le remplacement des pièces usagées des turbines et des équipements analogues. Ce procédé de remise à neuf de ces pièces donne un produit de haute qualité et de grande fiabilité, tout en diminuant les frais généraux de maintenance résultant de l'usure et de la détérioration de ces pièces. Le produit résultant de ce procédé est capable de satisfaire aux strictes exigences et d'assurer les performances qui seront exigées dans les domaines techniques considérés. Ce procédé de remise à neuf de pièces de turbines peut être pratiqué sur une grande échelle, tout en produisant des pièces réparées satisfaisantes et à un prix relativement bas.

Ce procédé produit une pièce remise à neuf dont la surface est homogène et dense, pratiquement exempte de fissures, de grands pores ou d'autres défauts. L'adhérence entre la matière d'apport et la surface de la pièce usagée est extrêmement solide et résiste considérablement à un délaminage pendant l'utilisation ultérieure de la pièce aérodynamique.

Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple nullement limitatif, en référence au dessin annexé dans lequel:

la fig. 1 est une vue en élévation du côté convexe d'une pièce de turbine, telle qu'une aube, dont les surfaces ont été rechargées conformément au procédé de l'invention;

la fig. 2 est une vue en élévation du côté concave de l'aube de la fig. 1 ;

la fig. 3 est une vue en coupe de cette aube, suivant la ligne 3-3 de la fig. 1 ;

la fig. 4 est une coupe de l'aube suivant la ligne 4-4 de la fig. 2; la fig. 5 est une vue latérale d'un pistolet de projection à plasma appliquant un alliage en fusion à une pièce;

la fig. 6 est une vue latérale d'un pistolet de projection à plasma utilisant un fil d'alliage pour appliquer un métal en fusion à une pièce;

la fig. 7 est une vue partielle en coupe, à très grande échelle, de la partie délimitée par les repères X-X de la fig. 3 ;

la fig. 8 est une vue en élévation du côté convexe d'une pièce usagée, montrant certaines étapes de soudage qui peuvent être exécutées durant le traitement de celle-ci;

la fig. 9 est une vue en coupe suivant la ligne 9-9 de la fig. 8 ; la fig. 10 est une vue en élévation du côté concave d'une pièce usagée, montrant les cordons de soudure qui peuvent être appliqués à celle-ci;

la fig. 11 est une vue en élévation d'un caisson permettant de soumettre simultanément une pièce de turbine à l'action de la chaleur et de la pression;

la fig. 12 est une vue latérale d'un four adapté pour le frittage d'un certain nombre de pièces;

la fig. 13 est une vue latérale schématique d'un appareil pour rectifier ou meuler la surface aérodynamique de la pièce;

la fig. 14 est une vue partielle en coupe d'une pièce de turbine montrant une fissure de la surface de celle-ci partiellement remplie

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par un dépôt de métal, avant que cette pièce ait été soumise à l'action de la chaleur et de la pression dans l'étape de la fig. 11 ;

la fig. 15 est une vue analogue à la fig. 14 mais qui montre cette même pièce après qu'elle a été traitée par la chaleur et la pression dans l'étape de la fig. 11 ; et la fig. 16 est une vue partielle en élévation du côté concave de la pièce après que sa surface a été rectifiée par l'appareil de la .fig. 13, et qui montre le perçage de trous de ventilation au moyen d'une sonde à décharge électrique.

Sur les fig. 1 à 4, on voit une aube 10 qui a été traitée par un procédé de pulvérisation ou projection à plasma qui sera décrit plus loin. Cette aube présente une surface aérodynamique convexe 12 et concave 14, un bord d'attaque 16 et un bord de fuite 18. L'aube est creuse, de sorte qu'un espace 20 subsiste entre ces surfaces. Les canaux de refroidissement 22, fig. 2, communiquent avec l'espace intérieur 20.

Sur les fig. 3 et 4, la référence 24 désigne la couche d'apport qui a été appliquée à la surface de l'aube par un procédé de pulvérisation à plasma. La couche d'apport peut avoir une épaisseur de 0,75 à 1 mm et peut être soit cannelée, soit uniforme, comme représenté, en approchant du bord 18.

Deux procédés différents pour appliquer le métal d'apport sur l'aube 10 sont représentés respectivement sur les fig. 5 et 6. Sur la fig. 5 est représenté un pistolet de pulvérisation à plasma du type à poudre 23, comprenant une buse 25 qui projette un fin jet 27 de particules d'une poudre métallique en fusion ayant la même composition que la matière de l'aube, sauf qu'on y a ajouté du silicium, comme il est spécifié plus loin. Le pistolet liquéfie la poudre métallique avec laquelle il est alimenté dans une atmosphère d'hydrogène, d'argon ou d'hélium, à une température d'environ 3850° C. Dans le procédé représenté sur la fig. 6, on utilise un pistolet de pulvérisation à plasma 29 qui pulvérise un fil d'alliage ayant une composition semblable à celle du métal de base de l'aube avec une addition de silicium. Les particules de métal en fusion 33 résultant de la pulvérisation du fil d'alliage 31 sont projetées sur l'aube 10. Dans le pistolet de pulvérisation à plasma utilisant un fil d'alliage, la vaporisation est assurée par la chaleur produite par la flamme d'un chalumeau oxyacétylénique (non représenté) ou analogue. Le procédé de pulvérisation à plasma à poudre de la fig. 5 ainsi que celui à fil de la fig. 6 donnent d'excellents résultats du point de vue de la densité et de l'adhérence de métal d'apport au métal de base. Le métal de base est connu comme un alliage à base de cobalt et peut être semblable à celui connu dans l'industrie sous la désignation Haynes Alloy N° 25 ou N° 31, dont la composition est indiquée dans le tableau ci-après.

Composition chimique de l'alliage Haynes N° 25 (les parties sont données en poids) :

I. Carbone

0,09

2. Silicium

0,22

3. Manganèse

1,55

4. Phosphore

0,018

5. Soufre

0,007

6. Chrome

20,32

7. Nickel

10,56

8. Tungstène

14,30

9. Fer

2,25

10. Cobalt

50,685

L'alliage ci-dessus est aussi utilisé dans diverses opérations de soudage exécutées sur les aubes, comme décrit ci-après, et est fourni sous la forme de tiges de soudure ou de fils qui sont désignés dans le commerce par le type L-605.

Dans le procédé de pulvérisation à plasma dans lequel le métal d'apport se présente sous la forme d'une poudre, on utilise l'alliage Haynes ci-dessus sous la forme d'une préparation d'une poudre métallique ayant essentiellement la même composition que celle du métal de base, à laquelle on ajoute une quantité de silicium de l'ordre de 10% ou plus. Pendant la pulvérisation, la chaleur brûle pratiquement tout le silicium supplémentaire qui a été ajouté à la préparation, de sorte qu'il reste un revêtement constitué par un métal semblable au métal de base ayant la composition spécifiée dans le tableau ci-dessus. Dans le procédé de pulvérisation à plasma utilisant un fil métallique, le silicium est incorporé dans ce fil dans une proportion égale ou supérieure à environ 10% de celle contenue dans l'alliage du fil, le silicium supplémentaire brûlant pendant ou après la pulvérisation, de sorte qu'on obtient un métal de revêtement ayant essentiellement la même composition que le métal de base.

La liaison entre les surfaces 12,14 du métal de base et le revêtement 24 est particulièrement résistante et durable et ne risque aucune défaillance pendant l'utilisation de l'aube. Le procédé pour réparer des aubes usagées est essentiellement le suivant:

1. On nettoie les aubes pour les débarrasser des saletés, graisses, etc., dans un bain d'acide chlorhydrique à 80°C pendant 3 à 4 h.

2. On rince les aubes à l'eau, puis on leur fait subir un recuit sous vide pendant 2 h à 1190° C.

3. On examine ensuite les aubes après recuit.

4. On examine ensuite les aubes dans un milieu fluorescent.

5. On soude toutes les fissures des bords d'attaque et de fuite, de même que les trous de refroidissement 22.

6. Si les bords de fuite des aubes sont devenus trop minces, on les charge par soudage, de préférence par un procédé en atmosphère inerte et à électrodes de tungstène, en utilisant une tige de soudure en alliage Haynes N° 25.

7. On soumet ensuite les aubes à une pulvérisation à l'aide d'un pistolet à plasma, comme représenté sur la fig. 5 ou sur la fig. 6, avec un alliage auquel a été ajouté du silicium, de façon à obtenir une couche ayant une épaisseur d'environ 0,7 à 1 mm. Lorsque les aubes sont constituées par un alliage Haynes N° 25 (dont la composition a été donnée ci-dessus), la poudre de métal ou le fil utilisé pour la pulvérisation a la même composition que cet alliage, avec toutefois une addition de silicium, de préférence dans une proportion de 10%.

8. Les aubes sont ensuite frittées sous vide ou dans un four à hydrogène 37 à 1200°C pendant 1 h comme représenté sur la fig. 12, puis elles sont refroidies. Le four 37 comporte des éléments chauffants 39 et un support 41 pour tenir les aubes 10 traitées.

9. Quand elles sont refroidies, on place les aubes dans un four de pression, comme celui de la fig. 11, qui comprend un caisson 35 comportant un couvercle hermétique et étanche à l'air. Les aubes sont soumises à un frittage pendant 4 h à une température supérieure à 1200°C et à une pression dépassant 1000 kg/cm2. Ce traitement a pour effet de rendre la couche d'apport plus dense et d'améliorer la solidité de son adhérence sur la matière de base de l'aube. De plus, les dimensions des pores du métal sont réduites et les éventuels défauts de surface de la couche sont ainsi guéris par voie métallurgique et sont éliminés dans une large mesure par cette étape. L'application de la chaleur et de la pression s'effectue de préférence dans une atmosphère d'argon. La fig. 14 montre la surface 12 de l'aube après la pulvérisation, mais avant le traitement de frittage dans le caisson 35. Cette figure montre une fissure 50 qui n'a été que partiellement remplie avec le métal d'apport 24, de sorte qu'une petite occlusion d'air subsiste. Après le frittage à haute pression dans le caisson 35, la surface de l'aube se présente comme sur la fig. 15 qui montre que la fissure 50 est complètement remplie avec le métal d'apport 24 et que les dimensions de l'espace rempli d'air sont devenues négligeables.

10. On rétablit les surfaces aérodynamiques 12,14 par un procédé abrasif, comme sur la fig. 13, afin de rétablir les dimensions initiales de celles-ci, de préférence au moyen d'une machine automatique utilisant une bande abrasive sans fin 45 passant autour d'un tambour 43, la bande étant directement au contact

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des surfaces aérodynamiques. Les surfaces restantes de l'aube 10 sont rectifiées à la main ou dans des machines spéciales (non représentées) afin de leur redonner les dimensions d'une pièce neuve.

11. Les aubes sont ensuite examinées dans un milieu fluorescent.

12. Les trous de refroidissement par air 22 sont ensuite retaillés au moyen d'une sonde à haute tension 54 du type à étincelles par décharge électrique et comportant une électrode 56 et un conducteur 58 relié à une source d'énergie électrique (non représentée), comme cela est visible sur la fig. 16. Un second conducteur 52 relié à la source est provisoirement connecté à l'aube afin de compléter le circuit.

13. Les aubes sont ensuite polies à la main.

14. Enfin, les aubes sont vérifiées pour s'assurer que leurs dimensions sont correctes.

La fig. 7 est une microphotographie agrandie 100 fois montrant une coupe à travers une aube qui a été rechargée par un procédé de pulvérisation à plasma, mais avant qu'elle ait subi le traitement de frittage à haute pression décrit ci-dessus, cette coupe ayant été faite dans la partie comprise entre les lignes X-X sur la fig. 3. On voit que le 'métal d'apport 24 a une structure granulaire dense et qu'il est relié à la surface rugueuse de la surface aérodynamique 14 de l'aube par une interface 46. Cette surface rugueuse résulte du sablage ou du grenaillage de l'aube avant la pulvérisation à plasma du revêtement. La partie aérodynamique 14 de l'aube a été figurée par des hachures classiques. La structure granulaire du revêtement 24 est satisfaisante du point de vue de l'uniformité, en considérant la coupe de la surface extérieure jusqu'à l'interface 46, et on constate l'absence de points poreux ou faibles susceptibles de se rompre rapidement.

Le dépôt de métal résultant de la pulvérisation à plasma est uniforme et de haute densité, l'adhérence entre cette couche de revêtement et le métal de base étant excellente, aucun signe d'une séparation ou d'un délaminage n'apparaissant autour de la périphérie de l'aube. Au besoin, la matière de revêtement pourrait par la suite recevoir un revêtement d'un alliage résistant à l'oxydation et à la sulfuration.

On réalise une amélioration de l'adhérence et de la résistance à la traction de l'aube, en appliquant simultanément de la chaleur et 5 i de la pression, comme il est expliqué pour l'étape 9 du procédé ci-dessus.

Le cas échéant, et afin de réparer des aubes gravement endommagées et leurs fissures, la surface aérodynamique pourrait être préparée comme suit et préalablement à la pulvérisation à plasma: io Sur les fig. 8-10, une aube usagée a été coupée pour produire des incisions 26 près des bordures d'extrémité 28 afin de détendre les contraintes produites par un chauffage inégal de celle-ci pendant le traitement. Après la formation des incisions 26, un cordon de soudure 30 peut être appliqué au bord de fuite, là où celui-ci a is été déformé par l'usure. De plus, des réparations par soudure, indiquées par de courts cordons 32, ont également été effectuées aux bords d'attaque et de fuite afin de couvrir les fissures filiformes. Deux cordons 34, 36 (formés en soudant les régions usagées des surfaces convexes et concaves respectivement) ren-20 forcent la structure de l'aube, ces cordons étant espacés du bord de fuite 18 et de même étendue que celui-ci.

Sur la fig. 10, on voit que les canaux de refroidissement par circulation d'air 22 peuvent être bouchés par des cordons de soudure 40, et que les incisions 26 peuvent être fermées, également 25 par des cordons 42. On soumet ensuite l'aube à une pulvérisation à plasma afin de déposer une couche d'alliage 24 sur celle-ci, comme sur les fig. 1 à 6. Avant la pulvérisation, on peut faire subir aux aubes un traitement de surface, par exemple, un sablage ou un grenaillage.

30 Les fig. 8 à 10 représentent des étapes facultatives de préparation d'une aube usagée avant de former, à la surface de celle-ci, des couches d'apport par un procédé de pulvérisation à plasma.

La dépense que représente le procédé de remise à neuf, bien qu'étant appréciable, ne représente cependant qu'une petite 35 fraction du coût initial de fabrication d'une aube de turbine neuve de ce type. Le produit résultant satisfait aux normes de qualité essentielles très strictes imposées aux aubes de turbine neuves.

2 feuilles dessins

Claims (10)

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   2

   REVENDICATIONS

   1. Procédé pour remettre à neuf une pièce de turbine aérodynamique en un alliage contenant du cobalt et du silicium, caractérisé par le fait d'appliquer un alliage de revêtement en fusion, contenant une proportion de cobalt égale à celle présente dans la composition de la pièce de turbine et une proportion de silicium d'au moins 10% en poids supérieure à celle présente dans la composition de la pièce de turbine, sur les surfaces érodées de la pièce afin d'amener le niveau de celle-ci au-delà de sa surface initiale, et de manière à brûler le silicium en excès contenu dans l'alliage de revêtement, de sorte que le revêtement d'alliage résultant a la même composition que la pièce de turbine, de fritter la pièce dans un four à une température supérieure à 1100° C, d'enlever et de refroidir cette pièce et d'usiner la couche de revêtement de la surface aérodynamique de la pièce afin de lui redonner pratiquement ses dimensions d'origine.
2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'en outre on place la pièce de turbine dans un four à haute pression et on la chauffe à une température d'au moins 1100°C en lui appliquant simultanément une pression d'au moins 1000 kg/cm2, augmentant ainsi la densité de la matière appliquée tout en améliorant l'adhérence entre celle-ci et la surface de la pièce, après quoi on enlève la pièce de turbine et on la refroidit avant l'étape d'usinage par rectification.
3. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, préalablement au dépôt de la couche de métal en fusion, on comble les fissures pouvant exister dans les surfaces érodées de la pièce de turbine par application d'un cordon de soudure.
4. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dépôt de l'alliage en fusion est effectué par projection à plasma de particules d'un métal en fusion provenant d'une poudre métallique.
5. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on réalise des incisions sur la surface aérodynamique de la pièce aux deux extrémités du bord de fuite pour détendre les contraintes dans la pièce, et on applique ensuite du métal de soudure le long du bord de fuite de la pièce pour la recharger et la renforcer.
6. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'on applique du métal de soudure sur une zone allongée de la surface aérodynamique de la pièce, espacée du bord de fuite et sensiblement de même étendue que le bord de fuite, après la formation d'incisions, de façon à renforcer la pièce avant d'appliquer l'alliage en fusion sur la pièce.
7. 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on bouche par soudure les canaux de circulation d'air adjacents aux bords de fuite de la surface aérodynamique de la pièce, avant d'appliquer l'alliage en fusion à la pièce.
8. 8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'application de soudure sur une partie de surface allongée de la pièce, dans des zones espacées du bord de fuite et sensiblement de même étendue que le bord de fuite, est effectuée sur la surface aérodynamique concave de la pièce.
9. 9. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'application de soudure sur une partie de surface allongée de la pièce, dans des zones espacées du bord de fuite et sensiblement de même longueur que le bord de fuite, est effectuée sur la surface aérodynamique convexe de la pièce.
10. 10. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'application simultanée de chaleur et de pression s'effectue avec une intensité et une force suffisantes pour faire pénétrer la matière d'apport appliquée dans les fissures de la surface de la pièce, de façon à pratiquement remplir complètement tous les espaces d'air des fissures.