EP0297982B1 - Process for electolytically codepositing a nickel-cobalt matrix with ceramic particles, and coating thus obtained - Google Patents

Process for electolytically codepositing a nickel-cobalt matrix with ceramic particles, and coating thus obtained Download PDF

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EP0297982B1
EP0297982B1 EP88401677A EP88401677A EP0297982B1 EP 0297982 B1 EP0297982 B1 EP 0297982B1 EP 88401677 A EP88401677 A EP 88401677A EP 88401677 A EP88401677 A EP 88401677A EP 0297982 B1 EP0297982 B1 EP 0297982B1
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EP
European Patent Office
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particles
nickel
sic
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electrolytic
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EP88401677A
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German (de)
French (fr)
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EP0297982A1 (en
Inventor
Robert Lucien Martinou
Michel Meyer Ruimi
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Aircraft Engines SAS
Original Assignee
Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25DPROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D15/00Electrolytic or electrophoretic production of coatings containing embedded materials, e.g. particles, whiskers, wires
    • C25D15/02Combined electrolytic and electrophoretic processes with charged materials

Definitions

  • the invention relates to a method of protection against oxidation and erosion by friction of parts used up to 600 ° C made of alloy steel or nickel-based superalloy.
  • the assemblies of parts of turbomachines operate frequently without conventional lubrication by oil or lubrication circuits.
  • Certain remedies can be brought to the problems of dry wear by micro-deflections by using massive materials like steels with high carbon content such as Z100 CD 17 (AFNOR standard - steel comprising 1% C, 17% Cr and 0,5 % Mo) of high hardness when cold or cobalt-based alloys forged, cast or melted.
  • Coatings sprayed with plasma such as tungsten carbides with 17% cobalt, chromium carbides, cobalt-based alloys can be used but are only applicable in homogeneous torque, in order to obtain sufficiently low coefficients of friction.
  • Document DE-A-1 533 441 describes general points relating to the production by electrolysis of massive pieces of nickel-cobalt, with ceramic particles.
  • One of the aims of the invention is to find the best compromise between all the operating conditions to achieve effective electrolytic deposition of cobalt nickel and to optimize the Ni / Co ratio during the electrolysis process in order to allow good dispersion of the ceramic particles in the final coating and sufficient homogeneity of said coating.
  • a method of protection against oxidation and erosion by friction at a temperature below 600 ° C., of a substrate made of alloy steel or of nickel-based superalloy is carried out by codeposition electrolytic coating of a binary nickel-cobalt matrix comprising a homogeneous dispersion of ceramic particles M chosen from the group of oxides and carbides, for example SiC, Al2 O3 and Cr2 O3, said coating comprising a mass content of particles ceramics M between 3.5% and 10%.
  • the evolution of the cobalt element in the nickel-cobalt alloy formed could be followed over a whole range of current densities taking into account variable parameters such as the Ni / Co ratio and the total concentration of metal salts (Ni + Co).
  • the analyzes carried out by plasma emission spectrometry (ICP) on the samples having received an electrolytic coating in the 9 baths C to K made it possible to select four alloy compositions (23 ⁇ 3, 42 ⁇ 4 , 64 ⁇ 2 and 72 ⁇ 2% of cobalt) with a view to characterizing them in structure, hardness and level of internal stress and these last tests led to retaining only the coatings with 29 and 42% of cobalt corresponding to baths F and G.
  • the 29% Co coating was chosen for its low internal stresses (around 100 MPa), the 42% Co coating for its high hardness (550HV).
  • the desired final coating incorporating ceramic particles, was chosen as the binary nickel-cobalt matrix containing 29% cobalt.
  • the Ni / Co ratio was chosen equal to 15 and the total content (Ni + Co) equal to 87.5 g / l (bath G in Table 1), to arrive at the desired cobalt concentration.
  • Ni-Co codeposition parameters having been optimized, the incorporation of M ceramic powders of three kinds was tested in the electrolyte baths.
  • silicon carbide SiC, Cr2 O3 and alumina Al2 O3 were used.
  • the mass content of the ceramic particles M in suspension in the electrolyte was retained in the range between 70 and 150 g / l.
  • the current density is an important parameter which depends on the molar concentration of the electrolyte and the temperature of the bath. During the formation of a coating, the current density conditions its deposition speed, its structure, its distribution ... With regard to composite coatings, the amount of particles incorporated is directly related to the current density applied. So the overall percentage of occluded particles decreases with increasing current density and that is why it is preferable to work at low current density (5A / dm2) to increase the rate of particles in the metal matrix since the speed of metal ions is greater than the adsorption rate of the particles.
  • the aforementioned coatings were deposited on two types of substrates, a high-strength alloy steel Z 85 W CD V6 (AFNOR standard - steel comprising 0.85% C + 6% W + 5% Cr + 4% Mo + 2% Va) and two NC 19 FeNb superalloys (Standard AFNOR - Ni base alloy comprising 19% Cr + 18% Fe + 5% Nb) and NC 22 FeD (AFNOR Standard - nickel base alloy comprising 22% Cr + 19% Fe + 9% Mo).
  • a high-strength alloy steel Z 85 W CD V6 AFNOR standard - steel comprising 0.85% C + 6% W + 5% Cr + 4% Mo + 2% Va
  • NC 19 FeNb superalloys Standard AFNOR - Ni base alloy comprising 19% Cr + 18% Fe + 5% Nb
  • NC 22 FeD AFNOR Standard - nickel base alloy comprising 22% Cr + 19% Fe + 9% Mo
  • substrates must undergo a surface preparation before undergoing the electrolytic coating.
  • the surface preparation ranges including degreasing and surface activation operations are conventional.
  • a pre-nickel plating bath containing a higher or lower hydrochloric acid content must be used to ensure maximum adhesion before applying the nickel-cobalt-ceramic coating on the aforementioned substrates.
  • the part is then able to receive the nickel-cobalt ceramic deposit indicated above.
  • a thin electrolytic chromium plating can be carried out, for example between 2 and 10 micrometers in order to increase the resistance to hot oxidation of the nickel-cobalt-ceramic coating.
  • micrographs show a change in coloration of the SiC particles (from dark gray to light gray) corresponding to a depletion in silicon.
  • microanalysis X reveals a phenomenon of diffusion of the silicon of the particles in the nickel-cobalt metallic matrix (photos 8 to 10).
  • the type of composite coatings according to the invention is interesting because it allows, depending on the opposing material, to obtain a lower friction torque than those encountered with other types of protective coatings.
  • Another advantage is that it allows the use of heterogeneous couples of materials in friction.
  • composite protective coatings therefore have notable advantages and may also prove to be advantageous for the sealing function at the top of compressor blades, where the guarantee of a minimum clearance is imperative in terms of performance. Sealing is, in this case, ensured by the abradable material located on the casing which can be partially machined by the vane opposite.
  • the composite coatings according to the invention make it possible to ensure dawn / abradable interference without significant wear. They indeed allow to play on the ductility of the "nickel-cobalt" matrix and on the brittleness / hardness of the abrasive grain "ceramic particles" so as to ensure the wear of the abradable by the blade in the ratio 90 / 10 and thus limit the reduction in engine performance.
  • these coatings have undergone the additional electrolytic chromium plating step, they will find a preferred use in friction parts subjected to temperatures greater than or equal to 400 ° C. in an oxidizing atmosphere.

Description

L'invention concerne un procédé de protection contre l'oxydation et l'érosion par frottement de pièces utilisées jusqu'à 600°C réalisées en acier alliés ou en superalliage à base nickel.The invention relates to a method of protection against oxidation and erosion by friction of parts used up to 600 ° C made of alloy steel or nickel-based superalloy.

Les assemblages de pièces de turbomachines fonctionnent, fréquemment, sans lubrification conventionnelle par circuits d'huile ou de graissage.The assemblies of parts of turbomachines operate frequently without conventional lubrication by oil or lubrication circuits.

Ces divers assemblages tels que les emmanchements d'aubes de compresseurs dans les alvéoles de disques, les cannelures d'arbre principal, les passages des tirants de disques, les axes de suspension, les articulations, ou encore les amortisseurs de disque compresseur HP sont le site de contacts locaux entre pièces souvent associés à de très petits déplacements et à des usures par microdébattements (grippage). Il existe par ailleurs un nombre de cas d'usure provoqués par des déplacements relatifs importants.These various assemblies such as the fitting of compressor blades in the disc pockets, the main shaft splines, the passages of the tie rods, the suspension shafts, the articulations, or even the HP compressor disc dampers are the site of local contacts between parts often associated with very small displacements and wear by micro-deflections (seizure). There are also a number of wear cases caused by significant relative displacements.

Ces phénomènes peuvent être générateurs de fissures de fatigue et conduire à la rupture prématurée de pièces.These phenomena can generate fatigue cracks and lead to premature failure of parts.

En outre, dans les veines de compresseur un type de dégradation assez particulier et tout aussi pénalisant est observé : la dégradation par érosion.In addition, in the veins of the compressor, a fairly particular and equally penalizing type of degradation is observed: degradation by erosion.

Tous les types d'usure évoqués provoquent la détérioration des surfaces ou/et des modifications de cotes dans les assemblages des aubes au niveau des sommets, des bords d'attaque et des bords de fuite, avec pour incidences pratiques de réduire la durée de vie des aubes et de provoquer des pertes de rendement notables du compresseur HP. Cette sensibilité est liée aux matériaux constituant les aubages, principalement les pièces mobiles.All the types of wear mentioned cause deterioration of the surfaces and / or changes in dimensions in the blade assemblies at the vertices, leading edges and trailing edges, with the practical consequences of reducing the service life. blades and cause significant performance losses of the HP compressor. This sensitivity is linked to the materials constituting the blades, mainly the moving parts.

Ainsi des études effectuées sur des compresseurs HP en fonctionnement ont montré qu'au bout de 3000 cycles de vol de 3 heures et 30 minutes, des pertes de rendement importantes, allant jusqu'à 14% de perte de débit, étaient dûes aux facteurs ci-dessus évoqués notamment par usure des sommets d'aubes et érosion des aubages.Thus studies carried out on HP compressors in operation have shown that after 3000 flight cycles of 3 hours and 30 minutes, significant losses in efficiency, up to 14% loss of flow, were due to the following factors: - above mentioned in particular by wear of the tips of blades and erosion of the blades.

Certains remèdes peuvent être apportés aux problèmes d'usure à sec par microdébattements en employant des matériaux massifs comme les aciers à haute teneur en carbone tels que le Z100 CD 17 (norme AFNOR - acier comportant 1% C, 17% Cr et 0,5% Mo) de dureté élevée à froid ou les alliages base cobalt forgés, coulés ou rapportés par fusion. Des revêtements projetés au plasma comme les carbures de tungstène à 17% de cobalt, les carbures de chrome, les alliages base cobalt sont utilisables mais ne sont applicables qu'en couple homogène, afin d'obtenir des coefficients de frottement suffisamment faibles.Certain remedies can be brought to the problems of dry wear by micro-deflections by using massive materials like steels with high carbon content such as Z100 CD 17 (AFNOR standard - steel comprising 1% C, 17% Cr and 0,5 % Mo) of high hardness when cold or cobalt-based alloys forged, cast or melted. Coatings sprayed with plasma such as tungsten carbides with 17% cobalt, chromium carbides, cobalt-based alloys can be used but are only applicable in homogeneous torque, in order to obtain sufficiently low coefficients of friction.

Le recours à des revêtements électrolytiques de cobalt et de 30% environ de carbure de chrome indiqué dans le document FR-A-2-412 626 permet d'améliorer le comportement en frottement à sec dans un domaine de température compris entre 300° et 750°C.The use of electrolytic coatings of cobalt and around 30% of chromium carbide indicated in the document FR-A-2-412 626 makes it possible to improve the behavior in dry friction in a temperature range between 300 ° and 750 ° C.

Toutefois les procédés énumérés plus haut ne permettent pas de résoudre simultanément les problèmes d'usure par microdébattements ou par érosion.However, the methods listed above do not make it possible to simultaneously solve the problems of wear by micro-deflections or by erosion.

La réalisation de revêtements par voie électrolytique est souhaitable dans de nombreux cas, par exemple :

  • lorsque la géométrie des pièces à traiter est complexe, la projection de revêtements plasma peut être difficile sinon impossible (cas par exemple d'alésages de faible diamètre),
  • chaque fois que l'on désirera des dépôts d'épaisseurs faibles à moyennes homogènes.
  • lors du remplacement de certains revêtements projetés, qui appliqués sur des pièces en frottement, pourraient conduire à des déformations par échauffement dûes à la projection,
  • suivant le type de pièces, les revêtements électrolytiques peuvent être meilleurs marchés que les revêtements plasma, donc présenter un meilleur compromis efficacité/coût,
Le document US 3 152 971 mentionne la possibilité d'un codépôt de nickel électrolytique avec des poudres du type céramique afin de réaliser un revêtement de finition satiné anti-reflet ce qui constitue un but tout différent de celui de l'invention. En outre ce document ne révèle la réalisation effective d'aucune combinaison nickel-cobalt-céramique et n'enseigne pas les moyens d'optimiser une concentration en particules céramiques homogène en tout point dans le revêtement.
L'invention porte donc sur un procédé électrolytique permettant le co-dépôt nickel-cobalt et particules céramiques donnant un composite dur ayant une bonne résistance à l'usure et à l'érosion.
La difficulté de tels co-dépôts nickel-cobalt provient du fait suivant : pour que deux ou plusieurs espèces puissent se décharger simultanément sur la cathode lors d'une électrolyse , ces espèces doivent se trouver sous des formes ioniques telles qu'elles aient des potentiels de décharge voisins au cours de la déposition, ce qui n'est pas le cas du nickel et du cobalt.
L'obtention d'un tel alliage électrolytique Ni-Co-céramique nécessite :
  • le rapprochement des tensions d'équilibre des métaux présents en solution,
  • l'augmentation de la surtension du métal le plus positif,
  • la diminution de la surtension du métal le plus négatif.
The production of coatings by electrolytic means is desirable in many cases, for example:
  • when the geometry of the parts to be treated is complex, the projection of plasma coatings can be difficult if not impossible (case for example of small diameter bores),
  • whenever we want deposits of small to medium thicknesses homogeneous.
  • during the replacement of certain projected coatings, which applied to friction parts, could lead to deformation by heating due to projection,
  • depending on the type of parts, electrolytic coatings can be cheaper than plasma coatings, therefore presenting a better compromise between efficiency and cost,
Document US 3,152,971 mentions the possibility of co-depositing electrolytic nickel with powders of the ceramic type in order to produce a satin finish anti-reflective coating which constitutes an entirely different object from that of the invention. In addition, this document does not reveal the effective production of any nickel-cobalt-ceramic combination and does not teach how to optimize a homogeneous concentration of ceramic particles at all points in the coating.
The invention therefore relates to an electrolytic process allowing the co-deposition of nickel-cobalt and ceramic particles giving a hard composite having good resistance to wear and erosion.
The difficulty of such nickel-cobalt co-deposits stems from the following fact: in order for two or more species to be able to discharge simultaneously onto the cathode during electrolysis, these species must be in ionic forms such that they have potentials neighboring discharge points during deposition, which is not the case for nickel and cobalt.
Obtaining such a Ni-Co-ceramic electrolytic alloy requires:
  • approximation of the equilibrium tensions of the metals present in solution,
  • the increase in the most positive metal overvoltage,
  • the reduction of the most negative metal overvoltage.

Le document DE-A-1 533 441 décrit des généralités concernant la réalisation par électrolyse de pièces massives en nickel-cobalt, avec des particules céramiques. Un des buts de l'invention est de trouver le meilleur compromis entre toutes les conditions opératoires pour aboutir à un dépôt électrolytique efficace de nickel cobalt et d'optimiser le rapport Ni/Co lors du processus d'électrolyse afin de permettre une bonne dispersion des particules céramiques dans le revêtement final ainsi qu'une homogénéité suffisante dudit revêtement.Document DE-A-1 533 441 describes general points relating to the production by electrolysis of massive pieces of nickel-cobalt, with ceramic particles. One of the aims of the invention is to find the best compromise between all the operating conditions to achieve effective electrolytic deposition of cobalt nickel and to optimize the Ni / Co ratio during the electrolysis process in order to allow good dispersion of the ceramic particles in the final coating and sufficient homogeneity of said coating.

Ainsi, selon l'objet de l'invention, un procédé de protection contre l'oxydation et l'érosion par frottement à une température inférieure à 600°C, d'un substrat en acier allié ou en superalliage base nickel est réalisé par codéposition électrolytique d'un revêtement formé d'une matrice binaire nickel-cobalt comportant une dispersion homogène de particules céramiques M choisies dans le groupe des oxydes et des carbures comme par exemple SiC, Al2 O3 et Cr2 O3, ledit revêtement comportant une teneur massique de particules céramiques M comprise entre 3,5 % et 10 %.Thus, according to the subject of the invention, a method of protection against oxidation and erosion by friction at a temperature below 600 ° C., of a substrate made of alloy steel or of nickel-based superalloy is carried out by codeposition electrolytic coating of a binary nickel-cobalt matrix comprising a homogeneous dispersion of ceramic particles M chosen from the group of oxides and carbides, for example SiC, Al2 O3 and Cr2 O3, said coating comprising a mass content of particles ceramics M between 3.5% and 10%.

Selon une particularité de l'invention, le dépôt électrolytique est effectué dans un bain en milieu sulfamate comportant une teneur totale en sels métalliques ( Ni + Co) comprise entre 70g/l et 100g/l, la concentration totale des particules M en suspension dans le bain est comprise entre 50g/l et 300g/l tandis que le rapport massique Ni/Co du bain d'électrolyse sera égal à 15, sous les conditions :

  • densité de courant (ddc) comprise entre 2,5 et 15 A/dm².
  • température comprise entre 50° et 54°C
  • PH compris entre 3,5 et 4,5.
According to a feature of the invention, the electrolytic deposition is carried out in a bath in a sulfamate medium comprising a total content of metal salts (Ni + Co) of between 70g / l and 100g / l, the total concentration of particles M in suspension in the bath is between 50g / l and 300g / l while the Ni / Co mass ratio of the electrolysis bath will be equal to 15, under the conditions:
  • current density (ddc) between 2.5 and 15 A / dm².
  • temperature between 50 ° and 54 ° C
  • PH between 3.5 and 4.5.

D'autres caractéristiques du procédé selon l'invention, et les résultats obtenus seront explicités ci-après en regard des figures annexées parmi lesquelles :

  • la figure 1 montre en coupe une cuve à électrolyse du type utilisé dans le processus selon l'invention.
  • la figure 2 montre l'influence du rapport Ni/Co et de la densité de courant sur la composition du revêtement,
  • la figure 3 montre l'influence de la concentration en sels métalliques (Ni + Co) dans le bain sur la composition du revêtement.
  • la figure 4 est une photomicrographie (grossissement 1000 fois) de la coupe d'un revêtement Nickel-Cobalt - SiC obtenu par le procédé décrit dans l'invention,
  • la figure 5 est une vue similaire d'un revêtement Nickel-Cobalt + Cr2 O3 selon l'invention,
  • la figure 5a est également une coupe d'un revêtement Nickel-Cobalt Al2 O3, au même grossissement,
  • les figures 6a à 6h montrent des micrographies (grossissement 1000 fois) du revêtement Ni-Co-SiC pour présenter l'influence de la température et du temps de maintien à température sur la morphologie et l'oxydation du revêtement,
  • les figures 7a et 7b montrent des micrographies (grossissement 5000 fois) du même revêtement à l'état brut 100h à 600°C sous air,
  • les photos 8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b, montrent respectivement des images X du silicium (8), du nickel (9) et du cobalt (10) respectivement à l'état brut (indice a) et après 100h à 600°C (indice b), d'un revêtement Ni-Co-SiC (grossi 5000 fois),
  • les figures 11 à 13 donnent les courbes d'usure d'un revêtement Ni-Co-SiC en couples homogènes (matériaux identiques opposés l'un à l'autre) et en couples hétérogènes (matériaux différents) respectivement à 20°, 250° et 400°C pour les couples suivants :
Ni-Co-SiC sur Ni-Co-SiC (à 400°C) Ni-Co-SiC sur Z12 C13 (à 20, 250° et 400°C) Ni-Co-SiC sur NC 20 K 14 Other characteristics of the method according to the invention, and the results obtained will be explained below with reference to the appended figures among which:
  • Figure 1 shows in section an electrolytic tank of the type used in the process according to the invention.
  • FIG. 2 shows the influence of the Ni / Co ratio and the current density on the composition of the coating,
  • Figure 3 shows the influence of the concentration of metal salts (Ni + Co) in the bath on the composition of the coating.
  • FIG. 4 is a photomicrograph (1000 times magnification) of the section of a Nickel-Cobalt - SiC coating obtained by the process described in the invention,
  • FIG. 5 is a similar view of a Nickel-Cobalt + Cr2 O3 coating according to the invention,
  • FIG. 5a is also a section of a Nickel-Cobalt Al2 O3 coating, at the same magnification,
  • FIGS. 6a to 6h show micrographs (magnification 1000 times) of the Ni-Co-SiC coating in order to present the influence of the temperature and the temperature holding time on the morphology and the oxidation of the coating,
  • FIGS. 7a and 7b show micrographs (magnification 5000 times) of the same coating in the raw state 100 h at 600 ° C. in air,
  • photos 8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b, respectively show X images of silicon (8), nickel (9) and cobalt (10) respectively in the raw state (index a) and after 100h at 600 ° C (index b), of a Ni-Co-SiC coating (magnified 5000 times),
  • Figures 11 to 13 show the wear curves of a Ni-Co-SiC coating in homogeneous couples (identical materials opposite to each other) and in heterogeneous couples (different materials) respectively at 20 °, 250 ° and 400 ° C for the following couples:
Ni-Co-SiC on Ni-Co-SiC (at 400 ° C) Ni-Co-SiC on Z12 C13 (at 20, 250 ° and 400 ° C) Ni-Co-SiC on NC 20 K 14

Les diverses expériences effectuées ont été réalisées dans une cuve d'électrolyse rectangulaire ou cylindrique telle que celle montrée à la figure 1. Si l'on s'y réfère, dans un bac 1 rempli d'eau chauffée par une résistance chauffante 2, on a disposé une cuve 3 d'électrolyse comportant des sels de Ni et Co et des particules céramiques en suspension et dont la composition sera précisée plus loin. Des anodes 4 alimentées par un générateur de courant (non représenté) étant constituées de billes de nickel S disposées dans des paniers de titane.The various experiments carried out were carried out in a rectangular or cylindrical electrolysis tank such as that shown in FIG. 1. If we refer to it, in a tank 1 filled with water heated by a heating resistor 2, we has arranged an electrolytic cell 3 comprising Ni and Co salts and ceramic particles in suspension and the composition of which will be specified below. Anodes 4 supplied by a current generator (not shown) being made up of nickel balls S arranged in titanium baskets.

Un système combiné d'agitation du bain a été réalisé. En effet, les modes d'agitation simple se sont révélés peu efficaces pour maintenir la dispersion des particules au sein de l'électrolyte et pour obtenir dans le revêtement final un taux d'occlusion acceptable et reproductible.A combined bath agitation system was implemented. Indeed, the simple stirring modes have proved to be ineffective in maintaining the dispersion of the particles within the electrolyte and in obtaining in the final coating an acceptable and reproducible occlusion rate.

La combinaison de plusieurs agitations appropriées a permis de maîtriser la mise en suspension des fines particules céramiques dans l'électrolyte et de ce fait leur assurer une meilleure incorporation dans la matrice métallique. Ainsi a été mise au point une installation particulière comprenant d'une part un double brassage de l'électrolyte par air comprimé 5 et par l'emploi d'un disperseur à turbine 7 tournant à haute vitesse, les essais effectués entre 1750 et 2250 tours par minute ayant montré qu'une vitesse de rotation de 2000 t/minute du disperseur 7 combinée avec le brassage à l'air était préférentielle. D'autre part les pièces 6 disposées sur la cathode ont été installées sur un mécanisme de translation "monte et baisse" à vitesse contrôlée ayant une course variable suivant la nature etla taille des pièces à revêtir.The combination of several appropriate stirrings has made it possible to control the suspension of the fine ceramic particles in the electrolyte and thereby ensure better incorporation into the metallic matrix. Thus, a particular installation was developed comprising on the one hand a double stirring of the electrolyte by compressed air 5 and by the use of a turbine disperser 7 rotating at high speed, the tests carried out between 1750 and 2250 revolutions per minute having shown that a speed of rotation of 2000 rpm of the disperser 7 combined with air mixing was preferred. On the other hand the parts 6 arranged on the cathode were installed on a translation mechanism "up and down" at controlled speed having a variable stroke according to the nature and size of the parts to be coated.

Avant d'incorporer des particules céramiques dans le bain, celui-ci a été optimisé et pour ce faire, diverses compositions d'électrolyte ont été testées et on a retenu des bains nickel-cobalt en milieu sulfamate en raison des revêtements performants qu'ils produisent tant au point de vue des caractéristiques mécaniques que de la stabilité de composition d'alliage. De plus, contrairement aux autres bains couramment utilisés (au chlorure, à l'acétate ou au pyrophosphate), ils procurent des revêtements à faibles contraintes internes tout en acceptant des vitesses de déposition élevées.Before incorporating ceramic particles in the bath, the latter was optimized and to do this, various electrolyte compositions were tested and nickel-cobalt baths in sulfamate medium were chosen because of the high-performance coatings which they produce both mechanical properties and stability of the alloy composition. In addition, unlike other baths commonly used (chloride, acetate or pyrophosphate), they provide coatings with low internal stresses while accepting high deposition rates.

Les bains utilisés comprenaient :

  • des constituants primaires
    • . le sulfamate de nickel, source d'ions Ni⁺⁺ indispensable au revêtement de nickel ;
    • . le sulfamate de cobalt, source d'ions Co⁺⁺ permettant le dépôt simultané avec le nickel,
    • . l'acide borique, agent tampon utilisé pour maintenir constant le pH au sein du bain et à l'interface cathode-solution,
    • . le chlorure de nickel (en concentration maximale 10 g/l), car bien qu'étant à l'origine de contraintes internes, il favorise la corrosion des anodes, donc l'augmentation du rendement cathodique du bain et en variante,
    • . le bromure de nickel qui peut être employé à la place du chlorure de nickel, si le bain contient peu de cobalt (1,5 g/l) ; mais crée un risque de passivation anodique si la teneur en cobalt dans le bain est élevée.
  • des constituants secondaires (agents d'addition) :
    • . des produits mouillants (tensio-actifs et/ou surfactants) qui accélèrent le départ des bulles d'hydrogène à la surface des pièces et permettent d'éviter la formation de piqûres dans le revêtement,
    • . des produits nivellants qui diminuent la présence de fortes excroissances aux densités de courant cathodiques élevées,
  • des produits réducteur de tensions internes.
The baths used included:
  • primary constituents
    • . nickel sulfamate, a source of Ni⁺⁺ ions essential for coating nickel;
    • . cobalt sulfamate, a source of Co⁺⁺ ions allowing simultaneous deposition with nickel,
    • . boric acid, a buffering agent used to keep the pH constant in the bath and at the cathode-solution interface,
    • . nickel chloride (at a maximum concentration of 10 g / l), because although being the source of internal stresses, it promotes corrosion of the anodes, therefore increasing the cathodic yield of the bath and, as a variant,
    • . nickel bromide which can be used in place of nickel chloride, if the bath contains little cobalt (1.5 g / l); but creates a risk of anodic passivation if the cobalt content in the bath is high.
  • secondary constituents (addition agents):
    • . wetting products (surfactants and / or surfactants) which accelerate the departure of hydrogen bubbles on the surface of the parts and make it possible to avoid the formation of pits in the coating,
    • . leveling products which reduce the presence of strong growths at high cathode current densities,
  • internal stress reducing products.

9 combinaisons ont été essayées, correspondant à des rapports Ni/Co égaux respectivement à 5,15 et 20 soit une teneur en cobalt en solution de l'ordre de 16,6 - 6,2 et 4,3 % et à des teneurs massiques de sel métalliques Ni + Co égales respectivement à 75 g/l (concentration en normalité 2,54 N), 87,5 g/l (concentration 2,96 N) et 100 g/l (concentration 3,40 N). Ces 9 compositions de bains sulfamate sont détaillées dans le tableau 1.9 combinations were tested, corresponding to Ni / Co ratios equal to 5.15 and 20 respectively, ie a cobalt content in solution of the order of 16.6 - 6.2 and 4.3% and to mass contents of metal salts Ni + Co equal respectively to 75 g / l (normal concentration 2.54 N), 87.5 g / l (concentration 2.96 N) and 100 g / l (concentration 3.40 N). These 9 sulfamate bath compositions are detailed in Table 1.

Les conditions de montage des bains utilisés ont été réalisées selon la séquence suivante :

  • mettre dans la cuve la moitié du volume d'eau déionisée nécessaire,
  • ajouter le volume de nickel sulfamate calculé à partir des solutions concentrées réceptionnées,
  • chauffer la solution à 40 - 45°C et agiter constamment.
  • ajouter la quantité de chlorure de nickel par petites quantités et agiter la solution jusqu'à dissolution complète,
  • ajouter l'acide borique peu à peu, (il est recommandé de dissoudre l'acide borique dans une solution d'eau déionisée chauffée à 65-70°C pour accélérer cette opération),
  • ajouter le volume de sulfamate de cobalt requis et homogénéiser la solution ,
  • traiter la solution au charbon actif pour éliminer les impuretés organiques, la durée du traitement est de 3 heures.
  • filtrer la solution,
  • ajuster le pH avec une solution d'acide sulfamique diluée à 10% en masse,
  • amener au volume requis avec de l'eau déionisée,
  • ajouter l'agent mouillant (lauryl-sulfate de sodium).
The mounting conditions for the baths used were carried out according to the following sequence:
  • put half the volume of deionized water required in the tank,
  • add the volume of nickel sulfamate calculated from the concentrated solutions received,
  • heat the solution to 40 - 45 ° C and stir constantly.
  • add the quantity of nickel chloride in small quantities and stir the solution until complete dissolution,
  • gradually add boric acid (it is recommended to dissolve boric acid in a solution of deionized water heated to 65-70 ° C to speed up this operation),
  • add the required volume of cobalt sulfamate and homogenize the solution,
  • treat the solution with activated carbon to remove organic impurities, the duration of the treatment is 3 hours.
  • filter the solution,
  • adjust the pH with a solution of sulfamic acid diluted to 10% by mass,
  • bring to the required volume with deionized water,
  • add the wetting agent (sodium lauryl sulfate).

L'évolution de l'élément cobalt dans l'alliage nickel-cobalt formé a pu être suivie sur toute une gamme de densités de courants en tenant compte de paramètres variables comme le rapport Ni/Co et la concentration totale en sels métalliques (Ni + Co).The evolution of the cobalt element in the nickel-cobalt alloy formed could be followed over a whole range of current densities taking into account variable parameters such as the Ni / Co ratio and the total concentration of metal salts (Ni + Co).

Les analyses effectuées par spectrométrie d'émission plasma (ICP) sur les échantillons ayant reçu un revêtement électrolytique dans les 9 bains C à K (voir Tableau 1), ont permis de sélectionner quatre compositions d'alliages (23 ± 3, 42 ± 4, 64 ± 2 et 72 ± 2% de cobalt) en vue de les caractériser en structure, dureté et niveau de contrainte interne et ces derniers tests ont conduit à ne retenir que les revêtements à 29 et 42% de cobalt correspondant aux bains F et G. Le revêtement à 29% Co a été choisi pour ses faibles contraintes internes (environ 100 MPa), celui à 42% de Co pour sa dureté élevée (550HV).The analyzes carried out by plasma emission spectrometry (ICP) on the samples having received an electrolytic coating in the 9 baths C to K (see Table 1), made it possible to select four alloy compositions (23 ± 3, 42 ± 4 , 64 ± 2 and 72 ± 2% of cobalt) with a view to characterizing them in structure, hardness and level of internal stress and these last tests led to retaining only the coatings with 29 and 42% of cobalt corresponding to baths F and G. The 29% Co coating was chosen for its low internal stresses (around 100 MPa), the 42% Co coating for its high hardness (550HV).

Les essais de caractérisation ont montré que l'alliage à 29% de Co est légèrement supérieur au nickel pur et à l'alliage à 42% dans les domaines de la résistance à l'usure à 20°C en couples hétérogènes, de la résistance à l'abrasion et de la tenue à l'érosion sous faibles angles d'impact.Characterization tests have shown that the 29% Co alloy is slightly better than pure nickel and the 42% alloy in the areas of resistance to wear at 20 ° C in heterogeneous pairs, resistance abrasion and resistance to erosion at low impact angles.

Pour ces raisons, le revêtement final souhaité, incorporant des particules céramiques, a été choisi comme la matrice binaire nickel-cobalt à 29% de cobalt.For these reasons, the desired final coating, incorporating ceramic particles, was chosen as the binary nickel-cobalt matrix containing 29% cobalt.

Toutefois, pour obtenir cette valeur finale en cobalt compte-tenu de la présence des particules céramiques M dans le bain, le rapport Ni/Co a été choisi égal à 15 et la teneur totale (Ni + Co) égale à 87,5 g/l (bain G du tableau 1), pour aboutir à la concentration en cobalt désirée.However, to obtain this final cobalt value taking into account the presence of the ceramic particles M in the bath, the Ni / Co ratio was chosen equal to 15 and the total content (Ni + Co) equal to 87.5 g / l (bath G in Table 1), to arrive at the desired cobalt concentration.

Ces paramètres de codéposition Ni-Co ayant été optimisés, l'incorporation de poudres céramiques M de trois sortes a été testée dans les bains d'électrolyte. Ainsi ont été utilisés le carbure de silicium SiC, Cr2 O3 et l'alumine Al2 O3.These Ni-Co codeposition parameters having been optimized, the incorporation of M ceramic powders of three kinds was tested in the electrolyte baths. Thus, silicon carbide SiC, Cr2 O3 and alumina Al2 O3 were used.

Dans les trois cas, la teneur massique des particules céramiques M en suspension dans l'électrolyte a été retenue dans la gamme comprise entre 70 et 150 g/l.In the three cases, the mass content of the ceramic particles M in suspension in the electrolyte was retained in the range between 70 and 150 g / l.

Les nombreux essais effectués ont montré que l'homogénéité de la dispersion des particules céramique dans le revêtement obtenu était satisfaisante avec une granulométrie de la poudre M comprise entre 1 et 5 micromètres, comme le confirment les photomicrographies des figures 5 à 7.The numerous tests carried out have shown that the homogeneity of the dispersion of the ceramic particles in the coating obtained was satisfactory with a particle size of the powder M of between 1 and 5 micrometers, as confirmed by the photomicrographs of FIGS. 5 to 7.

On a constaté également que, avant addition des particules céramiques dans les bains d'électrolyse et en particulier avec SiC et Al2 O3, il est important d'éliminer toute trace d'impuretés métalliques gênantes (par exemple le fer) et, pour ce faire, on prévoit dans l'invention de soumettre les poudres céramiques à une opération préalable de décontamination par lavage acide en milieu chlorhydrique.It has also been found that, before addition of the ceramic particles in the electrolysis baths and in particular with SiC and Al2 O3, it is important to remove all traces of annoying metallic impurities (for example iron) and, to do this , provision is made in the invention to subject the ceramic powders to a prior decontamination operation by acid washing in hydrochloric medium.

Les essais effectués avec les trois types de céramiques précitées ont été accomplis avec les paramètres d'électrolyse suivants :

  • densité de courant (ddc) comprise entre 2,5 et 15 A/dm2
  • température comprise entre 50 et 54°C,
  • pH compris entre 3,5 et 4,5.
The tests carried out with the three types of ceramic mentioned above were carried out with the following electrolysis parameters:
  • current density (ddc) between 2.5 and 15 A / dm2
  • temperature between 50 and 54 ° C,
  • pH between 3.5 and 4.5.

La détermination de ces paramètres a été dictée par les raisons suivantes :
Le choix d'une température particulière réside dans le fait que l'intérêt fondamental d'une élévation de température est d'accroître le maximum admissible de densité de courant en vue d'obtenir des vitesses de réactions électrochimiques et de diffusion élevées. Cependant, on observe des problèmes au niveau de la vitesse de transport des particules, ce qui peut diminuer le taux d'occlusion.
The determination of these parameters was dictated by the following reasons:
The choice of a particular temperature lies in the fact that the fundamental advantage of a temperature rise is to increase the maximum admissible current density in order to obtain high rates of electrochemical reactions and diffusion. However, there are problems with the rate of transport of the particles, which can decrease the rate of occlusion.

Dans un domaine de températures compris entre 20 et 60°C, le taux d'incorporation des particules Al2 O3 ou de SiC reste constant, mais celui de Cr3 C2 croît avec la température.In a temperature range between 20 and 60 ° C., the rate of incorporation of the particles Al2 O3 or of SiC remains constant, but that of Cr3 C2 increases with temperature.

La densité de courant est un paramètre important qui dépend de la concentration molaire de l'électrolyte et de la température du bain. Lors de la formation d'un revêtement la densité de courant conditionne sa vitesse de déposition, sa structure, sa répartition...
En ce qui concerne les revêtements composites, la quantité de particules incorporées est en relation directe avec la densité de courant appliquée. Ainsi le pourcentage global de particules occluses diminue avec l'augmentation de la densité de courant et, c'est pourquoi il est préférable de travailler à basse densité de courant (5A/dm2) pour augmenter le taux de particules dans la matrice métallique étant donné que la vitesse des ions métalliques est supérieure à la vitesse d'adsorption des particules.
The current density is an important parameter which depends on the molar concentration of the electrolyte and the temperature of the bath. During the formation of a coating, the current density conditions its deposition speed, its structure, its distribution ...
With regard to composite coatings, the amount of particles incorporated is directly related to the current density applied. So the overall percentage of occluded particles decreases with increasing current density and that is why it is preferable to work at low current density (5A / dm2) to increase the rate of particles in the metal matrix since the speed of metal ions is greater than the adsorption rate of the particles.

Cette observation est vérifiée notamment dans le cas d'incorporation de particules Al2 O3 et celles de SiC. Plus précisément dans le cas où les particules céramiques sont respectivement SiC, Al2 O3, Cr2 O3 , les paramètres précédents ont été choisis aux valeurs suivantes : SiC Al2 O3 Cr2 O3 ddc = 5 A/dm2 5 A/dm2 3 A/dm2 Température 52°± 2°C 52°± 2°C 52°C± 2°C pH = 4 ± 0,2 4± 0,2 4± 0,2
et les revêtements obtenus avaient pour compositions pondérales :
66 ± 2% Ni, 30 ± 2% Co, 4 ± 2% SiC.
63 ± 3% Ni, 32 ± 2% Co, 4,5 ± 0,5 Al2 O3
58 ± 3% Ni, 33 ± 3% Co, 9 ± 1% Cr2 O3
This observation is verified in particular in the case of incorporation of Al2 O3 particles and those of SiC. More precisely in the case where the ceramic particles are respectively SiC, Al2 O3, Cr2 O3, the previous parameters were chosen with the following values: SiC Al2 O3 Cr2 O3 ddc = 5 A / dm2 5 A / dm2 3 A / dm2 Temperature 52 ° ± 2 ° C 52 ° ± 2 ° C 52 ° C ± 2 ° C pH = 4 ± 0.2 4 ± 0.2 4 ± 0.2
and the coatings obtained had for weight compositions:
66 ± 2% Ni, 30 ± 2% Co, 4 ± 2% SiC.
63 ± 3% Ni, 32 ± 2% Co, 4.5 ± 0.5 Al2 O3
58 ± 3% Ni, 33 ± 3% Co, 9 ± 1% Cr2 O3

Les revêtements précités ont été déposés sur deux types de substrats, un acier allié à haute résistance Z 85 W CD V6 (Norme AFNOR - acier comportant 0,85% C + 6% W + 5% Cr + 4% Mo + 2% Va) et deux superalliages base nickel NC 19 FeNb (Norme AFNOR - alliage base Ni comportant 19% Cr + 18% Fe + 5% Nb) et NC 22 FeD (Norme AFNOR - alliage base nickel comportant 22% Cr + 19% Fe + 9% Mo).The aforementioned coatings were deposited on two types of substrates, a high-strength alloy steel Z 85 W CD V6 (AFNOR standard - steel comprising 0.85% C + 6% W + 5% Cr + 4% Mo + 2% Va) and two NC 19 FeNb superalloys (Standard AFNOR - Ni base alloy comprising 19% Cr + 18% Fe + 5% Nb) and NC 22 FeD (AFNOR Standard - nickel base alloy comprising 22% Cr + 19% Fe + 9% Mo).

Ces substrats sont significatifs des alliages base fer et base nickel car les revêtements selon l'invention présentent une bonne adhérence sur ces alliages et, de ce fait, tous les substrats base fer ou base nickel peuvent être aussi recouverts par les revêtements de protection selon l'invention.These substrates are significant for iron base and nickel base alloys because the coatings according to the invention exhibit good adhesion to these alloys and, therefore, all iron base or nickel base substrates can also be covered by the protective coatings according to the invention. 'invention.

Ces substrats doivent subir une préparation de surface avant de subir le revêtement électrolytique. Les gammes de préparation de surface comprenant les opérations de dégraissage, d'activation de surface sont classiques. Un bain de prénickelage contenant une teneur plus ou moins élevée en acide chlorhydrique doit être utilisé pour assurer une adhérence maximale avant d'appliquer le revêtement de nickel-cobalt-céramique sur les substrats précités.These substrates must undergo a surface preparation before undergoing the electrolytic coating. The surface preparation ranges including degreasing and surface activation operations are conventional. A pre-nickel plating bath containing a higher or lower hydrochloric acid content must be used to ensure maximum adhesion before applying the nickel-cobalt-ceramic coating on the aforementioned substrates.

La pièce est alors apte à recevoir le dépôt nickel-cobalt céramique indiqué plus haut.The part is then able to receive the nickel-cobalt ceramic deposit indicated above.

Après formation de ce revêtement dans les conditions précitées, on peut effectuer un chromage électrolytique de faible épaisseur, par exemple comprise entre 2 et 10 micromètres afin d'augmenter la résistance à l'oxydation à chaud du revêtement Nickel-Cobalt-Céramique.After this coating has been formed under the aforementioned conditions, a thin electrolytic chromium plating can be carried out, for example between 2 and 10 micrometers in order to increase the resistance to hot oxidation of the nickel-cobalt-ceramic coating.

En ce qui concerne le cas particulier du revêtement Ni-Co-SiC, la consolidation des particules dans la matrice peut être améliorée par un traitement thermique ultérieur de diffusion du silicium sous gaz inerte pendant une durée comprise entre 1 heure et 3 heures à une température de 550°C à 620°C.

  • Après dépot du revêtement protecteur, des examens de structure ont été effectués, les exemples donnés ici ayant été choisis dans le cas d'un revêtement Ni-Co-SiC. Les examens ont été réalisés sur état brut après revêtement et après des maintiens de 2 à 100 H à des températures variant de 400 à 600°C. Les méthodes suivantes ont été utilisées :
  • microscopie optique sur état poli non attaqué
  • microscopie électronique à balayage (MEB) après polissage électrolytique dans une solution sulfurique/méthane (1/7 - 0°C - 10 sec.)
  • analyses en dispersion d'énergie (ADE).
As regards the particular case of the Ni-Co-SiC coating, the consolidation of the particles in the matrix can be improved by a subsequent heat treatment of diffusion of the silicon under inert gas for a period of between 1 hour and 3 hours at a temperature from 550 ° C to 620 ° C.
  • After depositing the protective coating, structural examinations were carried out, the examples given here having been chosen in the case of a Ni-Co-SiC coating. The examinations were carried out in the raw state after coating and after maintenance of 2 to 100 hours at temperatures varying from 400 to 600 ° C. The following methods were used:
  • light microscopy on unattacked polished state
  • scanning electron microscopy (SEM) after electrolytic polishing in a sulfuric / methane solution (1/7 - 0 ° C - 10 sec.)
  • energy dispersion analysis (ADE).

A l'issue de ces examens, les points importants suivants au regard des tableaux et des planches annexées ont été retenus :

  • A l'état brut (figures 6a à 6h) les particules SiC (en gris foncé) sont réparties uniformément dans le revêtement. Les examens MEB mettent en évidence le contact intime entre ces particules et la matrice métallique nickel-cobalt.
  • Parallèlement l'état vieilli 100 H à 600°C a fait l'objet d'une caractéristique particulière.
At the end of these examinations, the following important points with regard to the annexed tables and plates were retained:
  • In the raw state (Figures 6a to 6h) the SiC particles (in dark gray) are distributed uniformly in the coating. SEM examinations reveal the intimate contact between these particles and the nickel-cobalt metallic matrix.
  • In parallel, the 100 H aged state at 600 ° C was the subject of a particular characteristic.

Les micrographies (photos 7a et 7b) mettent en évidence un changement de coloration des particules SiC (de gris foncé en gris clair) correspondant à un appauvrissement en silicium. En effet, la microanalyse X révèle un phénomène de diffusion du silicium des particules dans la matrice métallique nickel-cobalt (photos 8 à 10).The micrographs (photos 7a and 7b) show a change in coloration of the SiC particles (from dark gray to light gray) corresponding to a depletion in silicon. Indeed, microanalysis X reveals a phenomenon of diffusion of the silicon of the particles in the nickel-cobalt metallic matrix (photos 8 to 10).

Au cours de la préparation des échantillons, on remarque le bon accrochage des particules dans la matrice.During the preparation of the samples, we note the good bonding of the particles in the matrix.

Pour vérifier la présence éventuelle de diffusions substrat-revêtement, des filiations de compositions des principaux éléments chimiques au moyen de microanalyse X ont été effectuées. A l'issue de ces examens, seules des diffusions des éléments chrome et fer dans la matrice nickel-cobalt ont pu être observées sur des profondeurs respectives de 10 et 20 micromètres par rapport à l'interface substrat/revêtement.

  • La comparaison de différents états vieillis 100 h à 450, 500, 550 et 600°C a permis de montrer l'évolution de comportement des revêtements (photos 6b à 6h) :
  • après 100 h à 450°C, on constate que le changement de coloration (gris foncé à gris clair) ne s'est pas réalisé totalement. Cependant de nombreuses particules présentent deux zones de coloration différentes : une zone gris foncé avec une teneur en silicium comparable à celle obtenue à l'état brut et une zone gris clair appauvrie en silicium.
To verify the possible presence of substrate-coating diffusions, filiations of compositions of the main chemical elements by means of X microanalysis were carried out. At the end of these examinations, only diffusions of the chromium and iron elements in the nickel-cobalt matrix could be observed over respective depths of 10 and 20 micrometers relative to the substrate / coating interface.
  • The comparison of different states aged 100 h at 450, 500, 550 and 600 ° C made it possible to show the evolution of the behavior of the coatings (photos 6b to 6 h):
  • after 100 h at 450 ° C., it can be seen that the change in color (dark gray to light gray) has not been completely achieved. However, many particles have two different coloring zones: a dark gray zone with a silicon content comparable to that obtained in the raw state and a light gray zone depleted in silicon.

Donc après 100 h à 450°C, la diffusion du silicium des particules vers la matrice nickel-cobalt est encore incomplète.So after 100 h at 450 ° C, the diffusion of silicon from the particles to the nickel-cobalt matrix is still incomplete.

Les photos 6a à 6h montrent également que la profondeur oxydée en surface est liée au temps de maintien en température mais que cette couche est d'épaisseur sensiblement constante pour 100 h à 500,550 ou 600°C.

  • Des essais d'usure par abrasion sur abrasimètre TABER comportant deux meules circulaires chargées d'un lest entrainées par frottement par la pièce à tester animée d'un mouvement circulaire, dont les résultats sont résumés au tableau 2, montrent que les revêtements Ni-Co-SiC présentent une excellente tenue à l'usure par abrasion, comparativement à des revêtements traditionnels Ni-Co à 29% ou à 42% de Co sans adjonction de céramique. Jusqu'à 700°C pendant 2 h le Ni-Co-SiC présente un meilleur comportement que les revêtements Ni et Ni-Co sans adjonction de céramique ;
  • des essais de résistance à l'usure en frottement alterné à sec des revêtements composites selon l'invention ont été réalisés en couple homogène et en couple hétérogène. Les couples testés ont été les suivants :
Ni-Co-SiC / Ni-Co-SiC (à 400°C) Ni-Co-SiC / Z12 C13 (à 20, 250 et 400°C) Ni-Co-SiC / NC 20 K14 Photos 6a to 6h also show that the oxidized depth at the surface is linked to the temperature maintenance time but that this layer is thick substantially constant for 100 h at 500,550 or 600 ° C.
  • Abrasion wear tests on a TABER abrasimeter comprising two circular grinding wheels loaded with ballast driven by friction by the part to be tested with a circular movement, the results of which are summarized in Table 2, show that the Ni-Co coatings -SiC have excellent resistance to abrasion, compared to traditional Ni-Co coatings with 29% or 42% Co without adding ceramic. Up to 700 ° C for 2 hours, Ni-Co-SiC exhibits better behavior than Ni and Ni-Co coatings without the addition of ceramic;
  • tests of resistance to wear in alternating dry friction of the composite coatings according to the invention were carried out in homogeneous couple and in heterogeneous couple. The couples tested were as follows:
Ni-Co-SiC / Ni-Co-SiC (at 400 ° C) Ni-Co-SiC / Z12 C13 (at 20, 250 and 400 ° C) Ni-Co-SiC / NC 20 K14

Les résultats en sont donnés aux figures 11 à 13 et montrent que, si le revêtement Ni-Co-SiC a un comportement moyen en couples homogènes, le comportement en couples hétérogènes est bon à 400°C et que ce comportement peut encore être sensiblement amélioré par une rectification préalable du revêtement.The results are given in FIGS. 11 to 13 and show that, if the Ni-Co-SiC coating has an average behavior in homogeneous couples, the behavior in heterogeneous couples is good at 400 ° C. and that this behavior can still be significantly improved. by prior correction of the coating.

Les essais similaires effectués avec les revêtements Ni-Co-Al2 O3 et Ni-Co-Cr2 O3 (bien que non illustrés ici), montrent des résultats équivalents avec toutefois une meilleure tenue à l'érosion pour Ni-Co-Al2 O3 et une meilleure tenue en frottement pour Ni-Co-Cr2 O3.Similar tests carried out with Ni-Co-Al2 O3 and Ni-Co-Cr2 O3 coatings (although not illustrated here), show equivalent results with, however, better erosion resistance for Ni-Co-Al2 O3 and better friction resistance for Ni-Co-Cr2 O3.

Le type de revêtements composites selon l'invention est intéressant car il permet en fonction du matériau antagoniste, d'obtenir un couple de frottement plus faible que ceux rencontrés avec d'autres types de revêtements protecteurs.The type of composite coatings according to the invention is interesting because it allows, depending on the opposing material, to obtain a lower friction torque than those encountered with other types of protective coatings.

Il a pour autre avantage de permettre l'utilisation en frottement de couples hétérogènes de matériaux.Another advantage is that it allows the use of heterogeneous couples of materials in friction.

Ces revêtements protecteurs composites présentent donc des avantages notables et peuvent se révèler également intéressants pour la fonction étanchéité en sommet d'aubes de compresseur, où la garantie d'un jeu minimal est impérative sur le plan performances. L'étanchéité est, dans ce cas, assurée par le matériau abradable situé sur le carter partiellement usinable par l'aube en vis-à-vis. Les revêtements composites selon l'invention permettent d'assurer l'interférence aube/abradable sans usure notable. Ils permettent en effet de jouer sur la ductilité de la matrice "nickel-cobalt" et sur la fragilité/dureté du grain abrasif "particules céramiques" de façon à assurer l'usure de l'abradable par l'aube dans le rapport 90/10 et de limiter ainsi la réduction des performances du moteur.These composite protective coatings therefore have notable advantages and may also prove to be advantageous for the sealing function at the top of compressor blades, where the guarantee of a minimum clearance is imperative in terms of performance. Sealing is, in this case, ensured by the abradable material located on the casing which can be partially machined by the vane opposite. The composite coatings according to the invention make it possible to ensure dawn / abradable interference without significant wear. They indeed allow to play on the ductility of the "nickel-cobalt" matrix and on the brittleness / hardness of the abrasive grain "ceramic particles" so as to ensure the wear of the abradable by the blade in the ratio 90 / 10 and thus limit the reduction in engine performance.

Dans le cas où ces revêtements ont subi l'étape complémentaire de chromage électrolytique ils trouveront une utilisation privilégiée dans les pièces de frottement soumises à des températures supérieures ou égales à 400°C en atmosphère oxydante.In the case where these coatings have undergone the additional electrolytic chromium plating step, they will find a preferred use in friction parts subjected to temperatures greater than or equal to 400 ° C. in an oxidizing atmosphere.

D'autre part, les revêtements selon l'invention, ayant subi le traitement thermique complémentaire de diffusion verront leur durée de vie en frottement notablement augmentée.

Figure imgb0001
TABLEAU 2 Résultats d'essais d'abrasion TABER du NiCoSiC. Traitements Thermiques/air Variation de masse mg/4000 cycles Indice d'usure TABER Volume abrasé (mm3) sans 8 2 0,9 2 h 400°C 8 2 0,9 2 h 500°C 8 2 0,9 2 h 600°C 9 2,25 1 100 h 600°C 14 3,5 1,6 2 h 700°C 12 3 1,4 On the other hand, the coatings according to the invention, having undergone the additional diffusion heat treatment, will see their lifetime in friction significantly increased.
Figure imgb0001
TABLE 2 TABER abrasion test results for NiCoSiC. Heat / air treatments Mass change mg / 4000 cycles TABER wear index Abrasive volume (mm3) without 8 2 0.9 2 h 400 ° C 8 2 0.9 2 h 500 ° C 8 2 0.9 2 h 600 ° C 9 2.25 1 100 h 600 ° C 14 3.5 1.6 2 h 700 ° C 12 3 1.4

Claims (14)

  1. Process for protection against the oxidation and erosion by friction at a temperature below 600°C of a substrate made of alloy steel or of nickel-based super-alloy, characterised in that it is carried out by electrolytic codeposition of a coating made up of a nickel-cobalt binary matrix containing a homogeneous dispersion of ceramic particles M which are chosen from the group of oxides and carbides and especially made up of SiC, Al₂O₃ and Cr₂O₃, the said coating comprising a mass content of ceramic particles M of between 3.5 % and 10 %, the said electrolytic codeposition being performed in a sulphamate bath comprising a metal (Ni + Co) salt content of between 70 g/l and 100 g/l with a Ni/Co mass ratio of the bath equal to 15, in that the mass content of the particles M in suspension in the bath is between 50 g/l and 300 g/l, and in that the deposition is conducted with the following parameters:
    - current density (cd) of between 2.5 and 15 A/dm²;
    - temperature of between 50 and 54°C
    - pH of between 3.5 and 4.5.
  2. Process for protection according to Claim 1, characterised in that the particle size of the ceramic particles M in suspension is between 1 and 5 micrometers.
  3. Process for protection according to either of Claims 1 and 2, characterised in that before the introduction of the ceramic particles M into the electrolyte bath they are subjected to a decontamination operation by acidic washing in a hydrochloric medium.
  4. Process for protection according to any one of Claims 1 to 3, characterised in that the anodes consist of nickel S beads arranged in titanium-baskets.
  5. Process for protection according to one of Claims 1 to 4, characterised in that the electrolytic Ni-CO-M codeposition is carried out with stirring of the electrolyte bath by combined means of a turbine disperser and of compressed-air stirring and with a "rise and fall" translational movement of the cathode.
  6. Process for protection according to Claim 5, characterised in that the electrolytic codeposition is carried out in a vessel containing at least one turbine disperser with a vertical axis at a speed of rotation of between 1750 and 2250 rev/min and a pressurised air delivery at the bottom of the vessel, the component to be coated, subjected to a cathodic voltage, being arranged between the disperser and the compressed air delivery on a "rise and fall" arm.
  7. Process for protection according to any one of Claims 1 to 6, characterised in that an additional stage of electrolytic chromium plating with a thickness of between 2 and 10 micrometers is performed.
  8. Process for protection according to any one of Claims 1 to 7, in which the particles M are SiC particles, characterised in that the operating conditions of electrolytic codeposition are:
    - cd = 5 A/dm²
    - temperature = 52°C
    - pH = 4
  9. Process for protection according to Claim 8, characterised in that an additional operation of thermal treatment of diffusion of silicon into the matrix is performed under a neutral gas for a period of between 1 hour and 3 hours at a temperature of between 550°C and 620°C.
  10. Protective coating obtained by the process according to either of Claims 8 and 9, characterised in that it comprises a weight composition equal to
    Ni : 63 ± 2 %, Co = 30 ± 2 %, SiC = 4 ± 2 %.
  11. Process for protection according to any one of Claims 1 to 6, in which the particles M are Al₂O₃ particles, characterised in that the operating conditions of electrolytic codeposition are:
    - cd = 5 A/dm²
    - temperature = 52°C
    - pH = 4.
  12. Protective coating obtained according to the process of Claim 11, characterised in that it comprises a weight composition equal to:
    Ni = 63 ± 3 %, Co = 32 ± 2 %, Al₂O₃ = 4.5 ± 0.5 %.
  13. Process for protection according to any one of Claims 1 to 6, in which the particles M are Cr₂O₃ particles, characterised in that the operating conditions of electrolytic codeposition are:
    - cd = 3 A/dm²
    - temperature = 52°C
    - pH = 4.
  14. Protective coating obtained according to the process of Claim 13, characterised in that it comprises a weight composition equal to:
    Ni = 58 ± 3 %, Co = 33 ± 3 %, Cr₂O₃ = 9 ± 1 %.
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