CH643586A5 - Colle inorganique pour l'assemblage d'elements metalliques. - Google Patents

Description

L'invention est relative à une composition de colle inorganique destinée à l'assemblage de matériaux métalliques poreux ou non poreux.

Elle vise une composition de colle avec laquelle il est possible d'obtenir des assemblages présentant une grande résistance au cisaillement à chaud jusqu'à des températures de l'ordre de 600° C et qui sont capables de résister à des variations répétées de température (cyclage thermique).

Des problèmes d'assemblage de ce type se rencontrent notamment lorsqu'il s'agit de réaliser une bonne étanchéité entre les étages de compression successifs d'un compresseur faisant partie d'une tur-bomachine de façon à améliorer le rendement thermodynamique.

Les constructeurs de turboréacteurs prévoient l'installation de joints d'étanchéité à l'intérieur des carters dans l'intervalle les séparant de l'extrémité des pales des rotors ainsi que sur les arbres tournants au niveau des labyrinthes.

Les joints d'extrémité de pales sont abrasables de manière à ne pas détériorer l'extrémité des pales qui viennent en contact, tandis que les joints des arbres tournants doivent posséder des qualités de plasticité pour jouer leur rôle.

Plusieurs matériaux conviennent pour constituer les joints d'étanchéité, mais les matériaux les plus performants, qui présentent l'avantage de réunir à la fois les qualités requises pour les deux utilisations citées, sont des feutres métalliques en nickel ou en nickel/ chrome constitués par l'enchevêtrement de fibres creuses de quelques microns de diamètre décrit dans le brevet français N° 2058732 du 23 septembre 1969 et dans le certificat d'addition français N° 2285475 du 17 septembre 1974. L'extrême finesse des pores de ces feutres et leur porosité globale très élevée permettent l'obtention d'une exceptionnelle résistance au passage des gaz tout en évitant l'endommagement des pièces antagonistes.

Les pointes de température atteintes par les feutres fixés dans les carters sont de l'ordre de 600° C, le cyclage thermique étant lié aux conditions d'utilisation des moteurs. La fixation des feutres sur la paroi des carters est donc un problème difficile à résoudre.

Une première solution consiste à fixer les feutres par brasage, mais les alliages constituant les carters contiennent toujours du chrome pour assurer la protection contre la corrosion. Cet élément à forte chaleur de formation d'oxyde perturbe le mouillage de la brasure à tel point qu'on est amené à prendre des précautions exceptionnelles telles que brasage sous vide poussé ou sous atmosphère hydrogénée/halogénée à l'équilibre.

Dans le cas où les carters sont de grande taille, l'équipement est coûteux et la consommation en énergie est importante.

En outre, si un défaut apparaît lors du contrôle, c'est souvent l'ensemble carter et joint d'étanchéité qui doit être mis au rebut, car des opérations successives de brasage soumettent les carters à des échauffements susceptibles de provoquer des déformations géométriques intolérables. Une autre solution consiste à coller le revêtement de feutre au moyen d'une couche de colle inorganique, comme par exemple celles connues sous la marque commerciale Sermetel OHC732 ou 481.

Les produits de ce type contiennent un liant minéral donnant les qualités d'adhérence nécessaires et une charge métallique pulvérulente généralement à base d'aluminium, dont le rôle est de conférer au produit, après application du traitement thermique de collage approprié, une plasticité notable qui lui permet de supporter les contraintes d'origine thermique.

Dans cette solution, la fixation des pièces est obtenue par un traitement thermique simple à 350° C qui transforme le produit en ciment métallocéramique fortement adhérent et résistant bien au cyclage thermique jusqu'à 450° C.

Ce moyen d'assemblage présente de nombreux avantages, tels que facilité de préparation et de mise en œuvre de la colle, équipement simple et peu onéreux (serre-joints, étuve) ainsi qu'une absence de tout rebut, car la pièce-support peut être récupérée en éliminant le joint de colle par immersion dans une solution d'hydroxyde de sodium chaud.

Mais, pour une température supérieure à 450° C, le ciment métallocéramique perd rapidement ses propriétés d'adhérence par suite de la corrosion des particules d'aluminium de la charge.

La colle n'est donc pas capable de résoudre les problèmes se posant dans la pratique pour la fixation des feutres d'étanchéité dans les derniers étages des compresseurs de turbomachines ou dans les labyrinthes correspondants dans lesquels la température des pièces dépasse 450° C et peut atteindre 600° C environ.

On est donc amené à recourir au brasage cité et à supporter les inconvénients signalés.

Le titulaire a cherché une nouvelle colle inorganique qui soit utilisable pour l'assemblage de pièces métalliques, poreuses ou non, dont l'opération de collage se réduise à un traitement thermique simple à température modérée et grâce à laquelle il soit possible de réaliser des assemblages ayant des propriétés mécaniques au moins égales à celles des produits connus, mais en outre qui conservent ces propriétés jusqu'à des températures de 600° C environ.

L'invention vise donc à fournir une telle colle préparée avec des constituants couramment disponibles dans le commerce.

La préparation de la colle selon l'invention consiste à choisir un liant minéral et à y incorporer une charge métallique pulvérulente répondant à l'ensemble des critères de choix suivants découlant d'une étude systématique menée par le titulaire:

— coefficient de dilatation (k) voisin de celui des substrats usuels (ici les alliages du groupe du fer, à base Fe, Ni, Co pour lesquels k=13 à 18 x 10-6),

— bonne résistance à la corrosion jusqu'à 600/650°C environ dans une atmosphère oxydante,

— neutralité thermochimique avec le liant dans les conditions d'emploi pour conserver au liant sa structure réticulaire responsable de ses qualités d'adhérence,

— granulométrie ajustable pour obtenir une épaisseur optimale du joint de colle,

— facilité de fabrication et disponibilité de la poudre dans le commerce pour un moindre coût du produit.

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Une première difficulté apparaît concernant l'ensemble de ces critères de choix, car les seules poudres couramment disponibles sont la poudre d'alliage à base de fer contenant 74%Fe, 18%Cr et 8%Ni, connue sous l'appellation d'acier inoxydable 18-8 (k= 18 x 10"6) et la poudre de magnésie (k = 13 x 10~6) disponibles dans la granulométrie 20 à 150 |x.

Une étude poussée de chacune de ces poudres montre qu'aucune d'elles ne satisfait simultanément à tous les critères. En effet, l'étude de la poudre d'acier inoxydable 18-8 à 600° C montre que 47% de la poudre se transforme en oxyde après 100 h et que, de son côté, la magnésie n'est pas totalement neutre à 600° C vis-à-vis du silicate de sodium.

Le titulaire a donc été amené à retenir la poudre d'acier inoxydable disponible et à lui faire subir une transformation assurant une protection contre la corrosion à chaud de telle sorte qu'elle supporte sans dégradation notable les températures de l'ordre de 600° C.

Une seconde difficulté apparaît, car on se propose d'assembler deux pièces métalliques dont l'une, au moins, est constituée par un matériau très poreux (feutre formé par enchevêtrement de fibres tabulaires dont le diamètre est de 10 |x) dont la porosité globale peut atteindre 95%.

Une telle structure, nettement plus poreuse et plus fine que tous les autres matériaux fibreux connus, favorise la migration par capillarité de la majeure partie du silicate de sodium vers l'intérieur du feutre au détriment de la région de l'interface des pièces à coller. Le phénomène est dû au fait que la granulométrie de la charge pulvérulente de la colle est relativement importante (20 à 150 n) et que les forces capillaires au sein de la charge de la colle se trouvent nettement plus faibles qu'au sein du feutre. On a d'abord essayé de bloquer la migration du liant de la colle en remplissant au préalable le feutre à l'aide d'une substance que l'on peut éliminer ensuite, comme par exemple du naphtalène. Mais l'opération conduit, par la suite, à un mauvais mouillage du feutre par le silicate de sodium et, finalement, l'interface feutre-joint de colle manque d'adhérence. Le titulaire a trouvé qu'il était possible d'incorporer à la charge définie plus haut une seconde poudre métallique répondant à l'ensemble des critères mentionnés pour la première poudre, mais dont la granulométrie est telle que les forces capillaires susceptibles de se développer au sein de la charge de la colle soient au moins égales à celles susceptibles de se développer dans la structure poreuse à coller, ce grâce à quoi la migration du liant est bloquée.

La seconde poudre est une poudre ultrafine de chrome disponible dans le commerce et dont la granulométrie est comprise entre 0,5 et 3 n.

La colle objet de l'invention comprend une solution de silicate de sodium et une charge pulvérulente métallique, et elle est caractérisée en ce que la charge est constituée par un mélange d'une poudre d'acier inoxydable de granulométrie comprise entre 20 et 150 |i, dont les grains sont recouverts d'une couche superficielle d'alliage de diffusion à base d'aluminium et d'une poudre ultrafine de chrome de granulométrie comprise entre 0,5 et 3 (X. Comme solution de silicate de sodium, on choisit une solution colloïdale de disilicate (Si205Na2) que l'on ajuste pour obtenir un dosage d'extrait sec mesuré après calcination à 600°C compris entre 30 et 38%, et de préférence 35%. La charge pulvérulente est constituée par un mélange de poudre d'acier inoxydable 18-8 et de poudre ultrafine de chrome, la proportion pondérale de poudre de Cr étant comprise entre 15 et 40%, et de préférence 35% de la masse totale de la charge.

La concentration en charge pulvérulente de la colle selon l'invention est ajustée en fonction de la consistance souhaitée pour chacune des applications envisagées, notamment en fonction de l'état de surface et de la conformation des pièces à assembler.

On a trouvé que de bons résultats sont obtenus dans tous les cas d'application avec des concentrations pondérales allant de 72 à 78%, la concentration couvrant la plupart des applications étant de 75%. L'invention peut être illustrée à l'aide des exemples suivants:

Exemple 1 :

Transformation de la poudre d'acier inoxydable

On prépare un mélange comprenant:

— 4000 g de poudre d'acier inoxydable (granulométrie 20 à 150 (i; composition Fe: 74%; Cr: 18%; Ni: 8%);

— 440 g de poudre d'aluminium (granulométrie 5 à 20 n);

— 20 g de poudre de magnésium (granulométrie 100 |i);

— 40 g de chlorure d'aluminium AIC13.

On place le mélange dans une boîte en fer munie d'un couvercle semi-étanche. La boîte est ensuite placée pendant 4 h dans un four à 550° C, sous atmosphère d'hydrogène, puis on refroidit dans une enceinte séparée sous atmosphère d'hydrogène et la poudre est extraite de la boîte. On procède enfin à un lavage à l'eau distillée pour éliminer toute trace d'halogénure. L'apport en aluminium est contrôlé au moyen d'un échantillon témoin, constitué par une tôle d'acier inoxydable de composition identique à celle de la poudre, placé simultanément dans le four. L'échantillon accuse un accroissement de masse de 0,3 mg/cm2, ce qui correspond, pour la poudre traitée, à une couche de diffusion riche en aluminium ayant 2 n d'épaisseur environ.

Exemple 2:

Préparation de la colle a) Liant: On mesure la valeur de l'extrait sec d'une quantité pesée d'une solution colloïdale de silicate de sodium du commerce dont on vérifie la composition par calcination progressive jusqu'à 600°C. La valeur de l'extrait sec est située généralement à 40%. On ajoute alors une quantité d'eau suffisante pour ramener ce chiffre à 35% en agitant pour obtenir une solution homogène.

b) Charge pulvérulente: On mélange de la poudre d'acier inoxydable ayant subi le traitement selon l'exemple 1 avec de la poudre ultrafine de chrome (granulométrie 0,5 à 3 (J.) qui peut être d'origine magnésothermique ou électrolytique, dans une proportion pondérale de 65% de poudre d'acier inoxydable pour 35% de poudre de chrome.

c) Mélange: On prélève une quantité nécessaire de la solution colloïdale selon a pour enduire les pièces à coller, on pèse cette solution et on ajoute la charge pulvérulente selon b jusqu'à obtenir une concentration en masse égale à 75% de la masse de mélange. On malaxe jusqu'à l'obtention d'une pâte homogène.

La colle ainsi préparée est prête à l'emploi et se conserve environ

3 h.

Exemple 3:

Assemblage d'un feutre de nickel/chrome à 80% de porosité sur une tôle d'acier inoxydable 18-8

La tôle est préparée par sablage sec en utilisant des particules d'alumine de 500 p..

Le feutre est dégraissé au chlorure de méthylène et soigneusement séché.

On étend à la brosse sur le feutre la colle résultant de la préparation selon l'exemple 2 et on enlève l'excédent en raclant la surface à l'aide d'une spatule. On étend sur la tôle sablée une couche de colle de 1 mm environ.

On applique le feutre en place sur la tôle et on maintient les deux pièces en contact au moyen de cales de forme et de serre-joints de manière à obtenir une pression de 0,5 kg/cm2. On maintient l'ensemble pendant 16 h à la température ambiante. La colle est prise, on démonte les serre-joints et les cales, puis on place les pièces dans une étuve à 80° C pendant 6 h. La température de l'étuve est alors portée à 110° C et maintenue pendant 5 h. On élève ensuite la température pour atteindre 350° C en 1 h. On maintient un palier de 30 min.

Après refroidissement, le joint de colle réalisé se présente sous l'aspect d'une couche mince, compacte, de couleur gris sombre, dont l'épaisseur est de 250 à 300 |x. L'assemblage ainsi obtenu résiste à l'eau bouillante, aux différents solvants (hydrocarbures, acétone, benzène, etc.), ainsi qu'aux huiles minérales et aux huiles hydrauli5

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ques. Il peut résister aux chocs thermiques extrêmement sévères résultant du refroidissement à partir de 600 °C des pièces assemblées dans un jet d'air comprimé à 25° C, l'opération pouvant être renouvelée plusieurs centaines de fois sans provoquer d'altération du collage.

La séparation des deux pièces assemblées peut être obtenue, si nécessaire, par immersion pendant plusieurs heures dans une solution bouillante concentrée d'hydroxyde de sodium.

Exemple 4:

Conforme à l'exemple 3, mais le support est un superalliage à base Ni contenant Cr: 22%, Fe: 18%, Co: 1,5%, W: 0,6%, Mo: 9% connu sous la dénomination commerciale de Hastelloy X; on procède de la même façon, les résultats sont identiques.

Exemple S:

Conforme à l'exemple 3, mais le support est un acier contenant 13% de chrome; résultats identiques.

Exemple 6:

Fixation de deux tôles non poreuses d'acier inoxydable 18-8 l'une sur l'autre; les tôles sont préparées et collées conformément à l'exemple 3.

On donne maintenant, en relation avec la figure unique, les résultats d'essais comparatifs effectués sur des séries d'éprouvettes identiques comprenant chacune 2 tôles d'acier inoxydable 18-8 collées l'une sur l'autre, d'une part, au moyen de la colle selon l'invention conformément à l'exemple 6 et, d'autre part, au moyen de la colle inorganique de l'art antérieur (OHC 732 déjà citée) en appliquant le traitement thermique recommandé par le fabricant.

Les courbes 1 et 2 concernent les mesures de la résistance au ci-5 saillement relevées après maintien de 2 h aux températures indiquées respectivement pour la colle selon l'invention et pour la colle de l'art antérieur. Les valeurs sont sensiblement voisines pour les deux colles jusqu'à une température de l'ordre de 500° C, mais la courbe 2 chute rapidement ensuite, tandis que la courbe 1 conserve sa valeur io jusqu'à 600°C.

Les courbes 3 et 4 concernent les essais de comportement d'éprouvettes ayant subi un vieillissement de 240 h aux températures indiquées et pendant lequel 25 chocs thermiques sont provoqués par refroidissement brutal dans un jet d'air comprimé à 25° C. La courbe 15 3 concerne les mesures relatives à la colle selon l'invention pour des températures de 500, 550 et 600° C, et la courbe 4 concerne la colle de l'art antérieur pour des températures de 450, 500 et 550° C.

La durée de 240 h choisie pour les essais de vieillissement correspond, dans les conditions de fonctionnement normal d'une turbo-2o machine, à plusieurs milliers d'heures d'utilisation, car la durée des pointes de température atteintes est relativement faible.

La courbe 5 donne, à titre indicatif, la valeur de la résistance au cisaillement d'un feutre Ni-Cr 80-20 à 80% de porosité.

L'examen de ces courbes montre que la colle selon l'invention 25 apporte un progrès technique appréciable, car elle présente une résistance au cisaillement supérieure à celle des produits connus et demeurant toujours supérieure à la résistance propre du feutre à coller.

1 feuille dessin

Claims (2)

643 586 2 REVENDICATIONS

1. Composition de colle inorganique pour l'assemblage d'éléments structuraux métalliques poreux ou non au moyen d'un traitement thermique transformant la colle en ciment métallocéramique, la colle comprenant comme liant un disilicate de sodium et une charge pulvérulente métallique, caractérisée en ce que la charge est constituée par un mélange d'une poudre d'acier inoxydable, de gra-nulométrie comprise entre 20 et 150 n, dont les grains sont recouverts d'une couche superficielle d'alliage de diffusion riche en aluminium et d'une poudre ultrafine de chrome de granulométrie comprise entre 0,5 et 3 jx.

2. Colle inorganique selon la revendication 1, caractérisée en ce que la proportion pondérale de poudre de chrome de la charge est comprise entre 15 et 40%.

3. Colle inorganique selon la revendication 1, caractérisée en ce que la fraction de la granulométrie de la poudre d'acier inoxydable comprise entre 100 et 150 (i représente 10 à 30% de la masse de la poudre d'acier inoxydable.

4. Colle inorganique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la solution de silicate de sodium contient 35% d'extrait sec après calcination à 600° C.

5. Colle inorganique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la proportion pondérale de la charge pulvérulente est comprise entre 72 et 78%.

6. Colle inorganique selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'aluminium incorporé aux grains de la poudre d'acier inoxydable correspond à une épaisseur de couche d'alliage de diffusion de

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