EP0825275A1 - Procédé de réalisation d'un apport sur une pièce en superalliage base de nickel ou de cobalt - Google Patents
Procédé de réalisation d'un apport sur une pièce en superalliage base de nickel ou de cobalt Download PDFInfo
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- B22F2999/00—Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy
Definitions
- the present invention relates to a method for producing a contribution on a part of a turbomachine.
- FR-A-2 511 908 a process assembly by brazing-diffusion making it possible to report on a nickel or cobalt-based superalloy part a elementary part in the form of a pre-sintered blank formed from a mixture of two powders, one of which, called powder input, is present between 5 and 25% by weight of the mixture and has a nickel, chromium and boron or nickel, cobalt base, silicon and boron.
- a method of repairing surface defects of parts in superalloy has a plasma flame projection of two successive layers of different compositions, then one heat treatment during which only the first layer is melted and then the surface layer is removed.
- FR-A-2 511 908 require the use of a homogeneous mixture of powders to prepare a self-brazable sintered material which can be used to produce a contribution by brazing on a localized area of superalloy part.
- the maximum temperature of use of the superalloy part must remain significantly lower than the brazing temperature.
- US-4,778,649 describes for example a process for manufacturing a composite material comprising in particular a layer of copper alloy covered with a layer of mixture of Ti + B + Cu powders in which a reaction of synthesis of TiB 2 by combustion self-propagating is triggered by compression and heating. There is thus obtained on a copper substrate, a TiB 2 surface layer and an intermediate layer of a TiB 2 + Cu mixture.
- Zr or Al as well as other borides or carbides can be used.
- One of the objects of the invention is to obtain a recharging or a coating of turbomachine parts composed of a nickel-based or cobalt-based superalloy having either a polycrystalline structure, or a structure obtained by directed solidification, i.e. a structure monocrystalline.
- the installation used for the implementation of the production of a contribution on a superalloy part of turbomachine according to the invention consists of a high pressure supplied with neutral gas by a system of compression and also forming an oven fitted with a heating and temperature measurement.
- the compressor used is consisting of three compression stages connected in series in which the gas is successively compressed. Pressure final gas reached is 1.5GPa and a pressure gauge controls the value of the gas pressure.
- the high pressure chamber used includes the fittings suitable for conditions of use at high pressures and high temperatures such as multiple walls inserted in a shield and comprising an envelope of water cooling and all necessary access, electrical connections, gas passage and fittings sealing correspondents. Vacuum equipment about 1Pa is also attached. A rotation of the chamber also allows use in positions horizontal, vertical or inclined.
- the heating system consists of a heating element under shape of a graphite coil and two electrodes in graphite placed at each end forming an oven placed in said room.
- the settings allow to ensure a gradient thermal of the order of 200 ° C on a part placed in the oven.
- Thermocouples are added to allow temperature measurements.
- Variant embodiments can be made to the installation.
- Including energy supply equipment used to initiate the reaction can be added as than a tungsten wick, a graphite wick or a laser beam.
- cleaning operations of the substrate 2 are carried out prior to the installation of the compact element 1 and may include, depending on the condition of the part, new or used, of the degreasing, sanding, chemical deoxidation and / or thermochemical.
- the compact element 1 can also be obtained depending on the applications by techniques known per se of injection molding.
- the next step (b) is to introduce the part constituting the substrate 2 carrying the compact element 1 in a hydrostatic neutral gas high pressure chamber a heating enclosure.
- step (c) makes it possible to carry out a synthesis reaction on the compact element 1 so as to ensure its densification and the metallurgical link between said element 1 and the corresponding surface of the part constituting the substrate 2.
- the diagram in Figure 2 shows the temperatures measured on the part and shows the ignition temperature of the auto-combustion reaction around 673 ° C.
- the propagation of a combustion front through the material of compact element 1 upon initiation of the reaction obtained thanks to the temperature gradient of 200 ° C established between the two ends of said element 1 is very fast.
- the reaction is complete and the propagation speed of the combustion front can be estimated at 20 mm / s.
- the rate of propagation of the reaction is between 1 and 10cm per second depending on the operating conditions applied.
- the filler material 1 has macroporosity with good adhesion over the entire length of the affected area of the room 2.
- NiAl intermetallic material
- Figures 6 and 7 show the evolution of the concentration of the elements Al, Ni, Co, Cr, Ti along the interphase between materials A and NiAl.
- a reaction of diffusion between the two materials A and NiAl has produced, the thickness of the interphase reaching about 20 ⁇ m (see zones II and III of figure 4).
- the interphase obtained is consisting of a continuous solid solution between materials A and NiAl. No intermediate intermetallic compound has been observed.
- the introduction of chromium into the NiAl phase can justify the increase in hardness of the intermediate phase in zone III by effect of solid solution but the level of hardness confirms the absence of an intermetallic phase complex.
- step (a) of the process according to the invention the compact element 1 is identical to the one that was used and previously described for example A and it is also obtained from the same way.
- step (b) the part constituting the substrate 20 carry a sub-layer constituted by the element compact 11 and an outer layer formed by the element compact 1 is introduced into a high pressure chamber hydrostatic neutral gas forming a heating chamber.
- the next step (c) again makes it possible to carry out a reaction synthesis on compact element 1 and we get a reloading by adding material to the affected area of the room.
- the micrograph shown in Figure 9 shows the appearance of the material obtained comprising seven zones for which the concentration profiles of the most important elements determined along line 12 are also shown.
- Zone I corresponds to the NiAl intermetallic material.
- the homogeneous band of zone II corresponds to the diffusion aluminum and chromium in particular with also a variation of the titanium concentration.
- zone III the concentrations of Al, Ni, Co and Mo are constant while the concentrations of Cr and Ti vary continuously.
- Zone IV has a composition close to that of superalloy C with the presence of inclusions of light color corresponding to some variations for certain elements, molybdenum and chromium in particular.
- Zone VI has a close average composition that of superalloy C with more aluminum and tungsten but less cobalt and silicon. This zone exhibits good homogeneity, the concentrations being all roughly constant.
- zone VII the concentration of aluminum decreases, while chromium and molybdenum increase continuously.
- the heat given off by the exothermic reaction of synthesis of the NiAl intermetallic compound is sufficient to affect the entire thickness of the compact sintered element 11 and cause the items to spread to the other side with appearance of an interface between superalloys C and B.
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Abstract
Description
- (a) dépôt sur au moins une zone localisée de la pièce d'un élément d'apport pris dans le groupe, d'une part, des poudres réactives dans des proportions correspondant à la formation d'un matériau intermétallique et, d'autre part, des poudres de superalliage à base de nickel ou de cobalt ;
- (b) mise en place de la pièce comportant le dépôt obtenue à l'étape (a) dans une chambre à haute pression alimentée en gaz neutre par un système de compression permettant d'assurer dans la chambre une pression hydrostatique de gaz neutre allant jusqu'à 1,5 GPa, ladite chambre formant également un four muni d'éléments chauffants permettant d'atteindre une température de 1200°C avec une vitesse de montée en température comprise entre 5°C/mn et 120°C/mn en assurant un gradient thermique de 200°C d'une extrémité à l'autre de la zone de pièce concernée, les températures étant contrôlées au moyen d'un système de mesure ;
- (c) réalisation d'une réaction de synthèse par combustion auto-protégée sous haute pression hydrostatique de gaz sur ledit élément d'apport dans des conditions déterminées de température et de pression de manière à assurer la densification de l'apport et la liaison métallurgique entre ledit apport et la surface concernée de la pièce en superalliage.
- la figure 1 représente une vue schématique en coupe d'un élément d'apport mis en place sur un substrat, selon un exemple du procédé de réalisation conforme à l'invention ;
- la figure 2 représente un diagramme des températures lors d'une réaction de synthèse par combustion auto-propagée dans ledit procédé ;
- la figure 3 représente une microphotographie à grossissement de 20 d'une zone de pièce comportant l'apport selon ledit procédé ;
- les figures 6 et 7 montrent des microphotographies et les courbes d'évolution des profils de concentration des éléments composants dans la zone d'interphase entre les matériaux de la pièce et de l'apport selon ledit procédé ;
- la figure 8 représente une vue schématique en coupe analogue à celle de la figure 1 d'un élément d'apport mise en place sur un substrat, selon un autre exemple du procédé de réalisation conforme à l'invention ;
- la figure 9 montre une microphotographie et les courbes d'évolution des profils de concentration des éléments composants de la zone de pièce comportant l'apport selon ledit procédé ;
- la figure 10 montre une microphotographie agrandie d'un détail de la zone représentée sur la figure 9 ;
- la figure 11 montre les courbes d'évolution des profils de concentration des éléments composants de la zone représentée sur la figure 10 ;
- la figure 12 montre une microphotographie agrandie d'un détail de la zone représentée sur la figure 10 ;
- la figure 13 montre une microphotographie agrandie d'un détail de la zone représentée sur la figure 9, proche de la zone représentée sur la figure 10 ;
- la figure 14 montre les courbes d'évolution des profils de concentration des éléments composants de la zone représentée sur la figure 13.
- (a1) réalisation d'un mélange homogène de la quantité adéquate des poudres de nickel et d'aluminium ;
- (a2) compactage à froid du mélange obtenu dans un moule adapté sous une charge de 40 MPa.
- pression de l'atmosphère de gaz neutre constitué dans cet exemple de réalisation par l'argon = 146MPa ;
- cycle de montée en température dans le four :
- 50°C par minute jusqu'à 300°C ;
- palier de 6 minutes à 300°C ;
- 90°C par minute jusqu'à 800°C, sans palier ;
- refroidissement à 50°C par minute jusqu'à 20°C.
- I : NiAl
- II : NiAl + Co,Cr
- III : interphase
- IV : zone de précipités
- V : matériau A près de l'interphase
- VI : matériau A
A | ZONE VI | ZONE V | ZONE IV | ZONE III | ZONE II | ZONE I | |
AL | 2,89 | 2,60 | 6,32 | 13,97 | 31,61 | 42,71 | 49,56 |
Ti | 3,73 | 3,70 | 3,36 | 2,79 | 1,90 | ||
Cr | 22,32 | 22,40 | 22,30 | 15,56 | 6,82 | 0,75 | |
Co | 11,95 | 11,90 | 11,81 | 8,18 | 4,51 | 1,09 | |
Ni | 56,40 | 56,50 | 53,52 | 57,78 | 54,59 | 55,45 | 50,44 |
Mo | 2,63 | 2,70 | 2,67 | 1,72 | 0,58 | ||
W | 0,08 | 0,06 | 0,02 | 0,02 |
- en zone I, sous charge de 100 g : 252
- en zone III, sous charge de 300 g : 410
- en zone VI, sous charge de 100 g : 298
B : Ni base ; Cr 14; Co 9,5; Mo 4; Al 3; W4; Ti5; Si 0,2; Mn0,2; C 0,17
C : Ni base ; Co 16,5 à 19; Cr 10,4 à 12,2; Mo 3,3 à 4,2; Al 2,85 à 3,15; Ti 2,45 à 2,8 ; Si 1 à 1,3; B 0,68 à 0,8 ; C 0 à 0,06.
- pression de l'atmosphère de gaz neutre constitué dans cet exemple de réalisation par l'argon : 110MPa ;
- cycle de montée en température dans le four :
- 50°C par minute jusqu'à 300°C ;
- palier de 6 minutes à 300°C ;
- 90°C par minute jusqu'à 600°C, sans palier ;
- refroidissement à 50°C par minute jusqu'à 20°C.
Claims (7)
- Procédé de réalisation d'un apport sur une pièce en superalliage à base de nickel ou de cobalt caractérisé par les étapes successives suivantes :(a) dépôt sur au moins une zone localisée de la pièce (2 20) d'un élément d'apport (1 ; 1,11) pris dans le groupe, d'une part, des poudres réactives dans des proportions correspondant à la formation d'un matériau intermétallique et, d'autre part, des poudres de superalliage à base de nickel ou de cobalt ;(b) mise en place de la pièce (2 ; 20) comportant le dépôt obtenu à l'étape (a) dans une chambre à haute pression alimentée en gaz neutre par un système de compression permettant d'assurer dans la chambre une pression hydrostatique de gaz neutre allant jusqu'à 1,5 GPa, ladite chambre comprenant également un four composé d'éléments chauffants permettant d'atteindre une température de 1200°C avec une vitesse de montée en température comprise entre 5°C par minute et 120°C par minute en assurant un gradient thermique de 200°C d'une extrémité à l'autre de la zone de pièce (2 ; 20) concernée, les températures étant contrôlées au moyen d'un système de mesure ;(c) réalisation d'une réaction de synthèse par combustion auto-propagée sous haute pression hydrostatique de gaz sur ledit élément d'apport dans des conditions déterminées de température et de pression de manière à assurer la densification de l'apport (1 ; 1,11) et la liaison métallurgique entre ledit apport et la surface concernée de la pièce en superalliage.
- Procédé de réalisation d'un apport sur une pièce en superalliage à base de nickel ou de cobalt selon la revendication 1 dans lequel ledit apport constitue un rechargement d'une zone localisée de pièce et l'étape (c) terminée par un simple refroidissement de pièce est suivie d'une opération de ragréage des surfaces par usinage de finition.
- Procédé de réalisation d'un apport sur une pièce en superalliage à base de nickel ou de cobalt selon la revendication 1 dans lequel ledit apport constitue un revêtement protecteur sur au moins une zone de la pièce, permettant d'accroítre la résistance à l'oxydation, à la corrosion et/ou à l'érosion.
- Procédé de réalisation d'un apport sur une pièce en superalliage à base de nickel ou de cobalt selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel l'épaisseur finale du dépôt obtenu sur la pièce est comprise entre 20µm et 10mm.
- Procédé de réalisation d'un apport sur une pièce en superalliage à base de nickel ou de cobalt selon l'une quelconque des revendications 1, 2 et 4 dans lequel à l'étape (a), le dépôt est obtenu par la mise en place d'un élément compact (1) obtenu à partir du mélange des quantités adéquates de poudres de nickel et d'aluminium de granulométrie inférieure à 150µm, en proportions équi-atomiques, ce mélange étant placé dans un moule adapté et compacté à froid sous une charge de 40 MPa.
- Procédé de réalisation d'un apport sur une pièce en superalliage à base de nickel ou de cobalt selon la revendication 5 dans lequel à l'étape (a), lors de la mise en place de l'élément compact (1), un autre élément supplémentaire compact (11) est inséré en sous-couche sur la surface de la zone concernée de la pièce formant le substrat (20), ledit élément supplémentaire (11) étant obtenu préalablement par frittage de poudres en superalliage à base de nickel.
- Procédé de réalisation d'un apport sur une pièce en superalliage à base de nickel selon la revendication 6 dans lequel le superalliage de la pièce formant le substrat (20) présente la composition nominale suivante en pourcentages pondéraux :Ni base, Cr 14; Co 9,5; Mo 4; Al 3; W4; Ti 5; Si 0,2 Mn 0,2; C 0,17
et l'élément supplémentaire compact (11) présente la composition suivante en pourcentages pondéraux :Ni base; Co 16,5 à 19; Cr 10,4 à 12,2; Mo 3,3 à 4,2; Al 2,85 à 3,15; Ti 2,45 à 2,8; Si 1 à 1,3; B 0,68 à 0,8; C 0 à 0,06.
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PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 4, no. 129 (C - 024) 10 September 1980 (1980-09-10) * |
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