FR2731234A1

FR2731234A1 - Traitement de surface au chrome de supports a base de nickel

Info

Publication number: FR2731234A1
Application number: FR9601949A
Authority: FR
Inventors: Holger Streckert; Paul W Trester
Original assignee: Rosemount Aerospace Inc
Current assignee: Rosemount Aerospace Inc
Priority date: 1995-02-17
Filing date: 1996-02-16
Publication date: 1996-09-06
Anticipated expiration: 2016-02-16
Also published as: FR2731234B1; US6134972A; US5543183A

Abstract

Procédé d'application d'un traitement de surface au chrome sur des capteurs de données aérodynamiques à base de nickel pour améliorer les propriétés de résistance à la corrosion des composants tout en conservant leur conductivité thermique afin de transférer efficacement la chaleur produite intérieurement jusqu'à l'extérieur du composant durant des opérations d'anti-givrage ou de dégivrage, ledit procédé comprenant les phases consistant en un plaquage ionique d'un support à base de nickel avec des atomes de chrome en utilisant un procédé de déposition physique en phase gazeuse; (b) une diffusion les uns dans les autres des atomes de chrome et de nickel dans la zone de surface au moyen d'un premier traitement thermique dans une atmosphère inerte; et (c) une oxydation des atomes de chrome dans la zone de surface pour créer une couche d'oxyde de chrome durant un second traitement thermique dans une atmosphère contenant de l'oxygène.

Description

1 TRAITEMENT DE SURFACE AU CHROME DE SUPPORTS A BASE DE NICKEL

La présente invention concerne un traitement de surface amé-

lioré des supports à base de nickel, et plus particulièrement un procédé d'application d'un traitement de surface au chrome sur des supports à base de nickel qui donne une meilleure résistance à la corrosion tout en conservant la conductivité thermique et d'au-

tres propriétés mécaniques préférées du support à base de nickel.

Certains composants aérospatiaux tels que les sondes de Pi-

tot, les sondes statiques de Pitot, les capteurs de température, et d'autres capteurs ou sondes de données aérodynamiques doivent absolument transférer efficacement la chaleur depuis des bobines de chauffage internes jusqu'à l'extérieur du composant durant des

opérations d'anti-givrage ou de dégivrage. C'est la raison pour la-

quelle beaucoup de ces composants sont généralement des alliages

de nickel ou à forte teneur en nickel. Bien que le nickel résiste gé-

i5 néralement bien à la corrosion, avec le temps, lesdits composants de nickel présentent une certaine corrosion et donc une érosion dues à une exposition constante à l'humidité, à des oxydants, à des sels haloides, à des gaz contenant du soufre, à de la suie, à des collisions de particules, à des fluides de nettoyage et beaucoup

d'autres solutions corrosives.

Etant donné l'importance des capteurs de données aérodynami-

ques dans la navigation aérienne, de nombreux efforts ont porté

sur la mise au point et la fabrication de capteurs de données aéro-

dynamiques à la fois petits et fiables. Divers types de capteurs de

données aérodynamiques sont décrits, par exemple, dans les bre-

vets U.S. N s 4,730,487; 4,615,213; 4,552,070; et 4,378,696 men-

tionnés ici à titre de référence. Il demeure cependant nécessaire de disposer de sondes ou capteurs de données aérodynamiques qui conservent leur conductivité thermique et, surtout, possèdent des

propriétés de résistance à la corrosion améliorées.

Il est bien connu que le chrome est souvent utilisé pour amé-

liorer la solidité et la résistance à la corrosion de divers compo-

sants métalliques. Les traitements de surface au chrome, tels que

les revêtements de chrome, améliorent souvent la fiabilité, la fa-

cilité de maintenance et la qualité de nombreux produits en leur donnant une résistance a la corrosion, une isolation thermique ainsi qu'une protection contre les conditions environnantes. Les

traitements de surface au chrome sur divers supports sont égale-

ment utilisés pour donner un aspect de surface plus esthétique en

plus d'une résistance a la corrosion ou à l'usure.

L'électrodéposition de chrome est le traitement de surface au chrome le plus utilisé. Le chromage comprend a la fois le plaquage de chrome décoratif et le plaquage de chrome dur. Le plaquage de chrome dur diffère du plaquage décoratif principalement en ce qui 1 5 concerne l'épaisseur du chrome appliqué. Le plaquage de chrome dur peut avoir une épaisseur de 10 pm à plusieurs centaines de pm, tandis que les couches de chrome utilisées dans le plaquage décoratif peuvent n'être épaisses que de 0,25 pm. Le plaquage de chrome dur se distingue par son excellente dureté, sa résistance à I'usure et un faible coefficient de friction. Le plaquage de chrome

décoratif, d'autre part, conserve sa brillance parce que l'exposi-

tion à l'air ou à une autre source d'oxydation forme immédiate-

ment un film d'oxyde de chrome protecteur, invisible.

La chromisation est un autre procédé principal d'obtention d'une surface riche en chrome sur des supports. Dans un procédé de chromisation type, le chrome est diffusé dans le support de métal depuis un lit tassé dans un four à 1 1 00 C environ pour produire

une combinaison efficace ou solution solide du chrome et du sup-

port de métal ou de l'alliage étant chromisé. L'épaisseur de chro-

me dans ce traitement de surface peut être contrôlée par le temps de séjour dans le four. La chromisation est un procédé économique qui améliore la résistance à la corrosion de nombreux composants, tels que les ailettes de turbine, o l'aspect n'est généralement pas important. Cependant, la chromisation n'aboutit généralement pas à une morphologie de surface qui soit suffisamment lisse du point de vue aérodynamique pour les capteurs de données aéro-

dynamiques externes.

D'autres procédés de traitement de surface au chrome moins utilisés sont l'implantation d'ions, la pulvérisation, la déposition

chimique en phase gazeuse, la déposition physique en phase gazeu-

se et la métallisation au pistolet. L'art des procédés d'implanta-

tion d'ions est décrit dans les articles de Sioshansi "Ion Beam Modification of Materials For Industry", Thin Solid Films, Vol. 11 8

pages 61-71 (1984) et Brown et al. "Novel Metal Ion Surface Mo-

dification Technique", AppL Phys. Lett., Vol. 58, N 13 (1991).

Comme décrit dans l'article de Sioshansi, I'implantation d'ions de chrome a été utilisée précédemment pour améliorer la durée de

vie et la performance des paliers de précision en acier.

Très généralement, I'implantation d'ions est un procédé pour injecter électriquement des atomes d'un élément dans une cible

sélectionnée d'un autre matériau et plus particulièrement un pro-

cédé pour injecter les ions à des profondeurs sélectionnées et en des concentrations choisies afin de produire un alliage ou un autre

mélange solide ayant une composition différente de celle du maté-

riau de la cible originale et possédant, par conséquent, des pro-

priétés chimiques et physiques différentes et parfois très recher-

chées. Le plaquage ionique, d'autre part, est un procédé par lequel un matériau de revêtement est évaporé dans la région du plasma d'une décharge de gaz, est ionisé, et accéléré physiquement vers le support sous l'influence de champs électriques. Les particules ionisées sont déposées sur des surfaces propres du support avec une énergie élevée pour pénétrer dans la surface et former des

revêtements d'une épaisseur uniforme, présentant des caractéris-

tiques d'adhérence excellentes. Le procédé de plaquage ionique est généralement mis en oeuvre dans une enceinte à basse pression qui comporte deux électrodes espacées de manière appropriée.

Lorsque davantage d'énergie que l'énergie d'ionisation des molécu-

les de gaz est utilisable via une tension appliquée, une décharge de gaz est produite et le courant peut être transporté entre les

électrodes. Les électrons éjectés d'une cathode négative sont ac-

célérés vers l'anode positive, captant l'énergie provenant du champ électrique. Tandis que les électrons se déplacent vers

l'anode, certains d'entre eux entrent en collision avec des molécu-

les de gaz, cédant une partie de leur énergie pour produire des ions positifs et des électrons libres supplémentaires ainsi que de la lumière visible. Les ions positifs lourds, peu rapides, demeurent

dans l'espace entre les électrodes plus longtemps que les élec-

trons plus légers, rapides, ce qui donne une charge d'espace posi-

tive nette qui tend à son tour à accélérer davantage les électrons issus de la cathode afin de produire une décharge luminescente

auto-entretenue.

Si un matériau ionisable est évaporé dans la région du plasma de la décharge, tandis que la décharge ci-dessus a lieu, beaucoup d'atomes s'évaporant sont heurtés par des électrons et deviennent

ionisés. Ils peuvent ensuite être accélérés jusqu'à une seconde ca-

thode. Si le support a revêtir est la cathode, les ions s'évaporant chargés positivement suivent les lignes du champ électrique pour heurter la surface du support avec une énergie en électrons-volts

très voisine de la pleine tension anode-cathode. Les ions s'évapo-

rant sont appliqués sur la surface du support et, en même temps, les atomes de gaz ionisés enlèvent du matériau de la surface du

support par pulvérisation.

Les alliages nickel-chrome forment une solution solide jus-

qu'à 30 % en poids de chrome environ. Du chrome est souvent ajou-

té au nickel pour augmenter la solidité, la résistance à la cor-

rosion, la résistance à l'oxydation, la résistance à la corrosion à chaud et la résistance électrique des divers composants. Du nickel

et du chrome combinés ont été utilisés pour former des superal-

liages à base de nickel, tels que les alliages du type Nichrome, qui

sont des matériaux bien connus et souvent utilisés. Ces superal-

liages à base de nickel, cependant, ne sont pas dotés des proprié-

tés mécaniques préférées requises dans la fabrication de capteurs ou sondes de données aérodynamiques. Comparés au nickel pur, les alliages nickel-chrome possèdent en outre des propriétés de transfert thermique considérablement réduites et sont moins

adaptés aux capteurs ou sondes de données aérodynamiques.

Par conséquent, il est nécessaire de disposer d'un procédé amélioré et relativement économique d'application de traitements

de surface au chrome sur des sondes et capteurs de données aéro-

dynamiques. Les traitements de surface au chrome améliorés doi-

vent offrir une meilleure résistance à la corrosion durant le fonc-

tionnement du capteur ou de la sonde de données aérodynamiques mais permettre au capteur ou à la sonde de garder ses propriétés mécaniques préférées pour la maniabilité offerte par les capteurs

et sondes de données aérodynamiques à base de nickel. Plus impor-

tant encore, le traitement de surface au chrome doit être un pro-

cédé réalisable économiquement.

La présente invention propose un procédé d'application d'un traitement de surface au chrome sur des composants aérospatiaux à base de nickel afin d'améliorer les propriétés de résistance à la corrosion des composants tout en conservant leur conductivité

thermique pour transférer efficacement la chaleur produite inté-

rieurement jusqu'à l'extérieur du composant durant des opérations d'antigivrage ou de dégivrage. Le présent procédé comprend les phases consistant en: un plaquage ionique d'un support à base de

nickel avec des atomes de chrome au moyen d'un procédé de dépo-

sition à l'aide d'ions; un traitement thermique du support à base de nickel chromé dans une atmosphère généralement inerte pour diffuser les atomes de chrome et de nickel les uns dans les autres dans une zone proche de la surface du support à base de nickel chromé; et en un traitement thermique du support a base de nickel chromé dans une atmosphère contenant de l'oxygène afin d'oxyder

les atomes de chrome aux surfaces exposées et de créer une cou-

che oxyde de chrome. L'épaisseur ou l'accumulation de chrome et d'oxyde de chrome est maintenue suffisamment mince pour être

dans les limites tolérées, prédéterminées, pour un bon fonction-

nement des composants.

1 5 Le procédé d'application d'un traitement de surface au chrome sur des supports à base de nickel peut être utilisé pour satisfaire au besoin en capteurs ou sondes de données aérodynamiques dotées d'une résistance à la corrosion améliorée par comparaison avec

les capteurs ou sondes en nickel classiques et gardant leur con-

ductivité thermique afin de transférer facilement la chaleur de-

puis des bobines de chauffage internes jusqu'aux surfaces exter-

nes du capteur ou de la sonde de données aérodynamiques.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente inven-

tion apparaîtront à la lecture de la description détaillée suivante

du mode de réalisation préféré de l'invention.

Dans la description détaillée qui suit, référence est faite aux

dessins annexés sur lesquels la figure 1 est un graphique il-

lustrant la répartition du chrome et du nickel dans la zone proche de la surface du support à base de nickel. Le graphique rapporte la concentration de chrome à la profondeur depuis la surface une fois le dépôt de chrome à l'aide d'ions appliqué puis de nouveau une fois que le support revêtu a subi un premier traitement thermique ysb.etrat) diffusant le chrome plus profondément dans le support/et formant

un alliage nickel-chrome.

La figure 2 est une vue schématique d'une sonde de données aérodynamiques illustrant un élément de détection a base de ni- ckel se projetant depuis le jambage de Pitot. Ce tube statique de

Pitot est un des nombreux types de capteurs de données aéro-

dynamiques adaptés a recevoir le traitement de surface au chrome

de la présente invention.

La figure 3 est une vue en coupe partielle de l'élément de dé-

tection à base de nickel traité au chrome en surface. Les dimen-

sions de l'élément de détection a base de nickel traité au chrome en surface sont exagérées dans le but d'illustrer plus clairement

la présente invention.

1 5 La description qui suit est la description du mode de réalisa-

tion préféré envisagé pour la mise en oeuvre de la présente inven-

tion. Cette description ne doit pas être considérée comme donnée

à titre limitatif mais simplement dans le but de décrire les prin-

cipes généraux de la présente invention.

Le procédé décrit d'application d'un traitement de surface au (substrats) chrome sur des supports/ou composants à base de nickel donne

avantageusement une meilleure résistance à la corrosion aux sup-

ports ou composants tout en conservant la conductivité thermique et d'autres propriétés mécaniques préférées du support à base de nickel. Le procédé préféré comprend trois phases principales, la

première phase consistant à plaquer d'atomes de chrome le sup-

port à base de nickel par plaquage ionique. Le plaquage ionique est suivi d'un premier traitement thermique du support plaqué d'ions afin de diffuser les atomes de chrome plus profondément dans le support à base de nickel. En particulier, le support plaqué d'ions subit le premier traitement thermique dans une atmosphère inerte pour permettre aux atomes de chrome et aux atomes de nickel de

se diffuser les uns dans les autres et de former un alliage nickel-

chrome dans la zone de la surface, sans oxydation. Le support est alors soumis à un second traitement thermique dans une atmos- phère contenant de l'oxygène pour oxyder les atomes de chrome dans la zone de la surface afin de créer une couche d'oxyde de chrome. Ce procédé préféré à trois phases est particulièrement adapté au traitement de surface au chrome des composants aérospatiaux tels que les sondes de Pitot, les sondes statiques de Pitot, les capteurs multifonctions, les capteurs de température, et d'autres capteurs ou sondes de données aérodynamiques. Beaucoup de ces sondes et capteurs sont des éléments à base de nickel qui doivent

i5 fonctionner dans un environnement corrosif. En outre, la configu-

ration de nombre de ces sondes et capteurs ne facilite pas beau-

coup de procédés de revêtement de chrome ou procédés de traite-

ment de surface classiques. Par exemple, de nombreux capteurs et sondes, tels que les sondes de Pitot, présentent généralement une surface externe relativement grande et de petites ouvertures ou orifices de mesure. Les parois des ouvertures ou des orifices de mesure sont souvent inaccessibles ou difficiles a traiter alors qu'elles doivent demeurer exemptes de corrosion pour garantir un

fonctionnement sûr et précis du capteur ou de la sonde.

Il est envisagé que d'autres procédés de déposition à l'aide d'ions soient utilisés à la place du procédé de plaquage ionique. Le plaquage ionique et les autres procédés de déposition à l'aide

d'ions doivent efficacement déposer et/ou implanter suffisam-

ment d'atomes de chrome sur la surface des éléments et les pa-

rois des orifices des capteurs et sondes de données aérodynami-

ques sans faire obstacle ou nuire au bon fonctionnement du capteur ou de la sonde. En outre, la diffusion ultérieure les uns dans les autres des atomes de chrome et de nickel permet aux capteurs ou sondes de données aérodynamiques traités en surface

de conserver leur conductivité thermique afin de transférer ef-

ficacement la chaleur depuis des bobines de chauffage internes jusqu'à l'extérieur du capteur ou de la sonde durant des opérations

d'anti-givrage ou de dégivrage.

Les supports ou capteurs à base de nickel sont, de préférence, faits d'alliages de nickel commercial de Inco Alloys International, Inc. tels que les alliages de Nickel 200 ou Nickel 21 1, bien que

d'autres alliages à teneur élevée en nickel puissent être utilisés.

Le Nickel 200 renferme un minimum de 99,5 % en poids de nickel;

un maximum de 0,25 % en poids de manganèse et d'autres impure-

tés mineures. Le Nickel 211 renferme un minimum de 93,7 % en

1 5 poids de nickel (plus du cobalt) et 4,25 à 5,25 % en poids de man-

ganèse ainsi que de petits pourcentages en poids d'autres impure-

tés. D'autres qualités de nickel adaptées à être utilisées avec la présente invention sont, sans se limiter à celles-ci, le Nickel 201,

le Nickel 205, le Nickel 220, le Nickel 230, et le Nickel 270.

Les surfaces des supports à base de nickel sont tout d'abord nettoyées avant l'application du dépôt de chrome. Le procédé de nettoyage préféré comprend à la fois un nettoyage par ultrasons et

un lavage dans des solvants organiques. En particulier, les sup-

ports à base de nickel sont soumis a un nettoyage par ultrasons

tout en étant immergés dans une solution alcaline, puis sont rin-

cés dans de l'eau distillée. Les supports à base de nickel sont en-

suite extraits et encore nettoyés par une opération de lavage en deux phases dans des solvants organiques. La technique de lavage préférée comprend un lavage dans de l'acétone suivi d'un bain dans de I'éthanol. Les supports à base de nickel sont ensuite extraits et

séchés par évaporation ou un autre procédé de séchage approprié.

Le dépôt de chrome est appliqué par un procédé de déposition physique en phase vapeur qui dépose les atomes de chrome à la surface ou dans la zone proche de la surface du support à base de nickel. La zone proche de la surface est la zone du support à base de nickel qui se situe juste sous la surface externe du support.

Avantageusement, la zone proche de la surface correspond égale-

ment à la zone dans laquelle un alliage de chrome et de nickel est finalement formé. Les techniques préférées sont les techniques de

plaquage ionique, telles que le plaquage ionique par faisceau élec-

tronique ou le plaquage ionique par arc cathodique, mais peuvent comprendre également la pulvérisation d'ions, I'implantation d'ions, le mélange de faisceaux d'ions, ou d'autres techniques de

déposition d'ions métalliques.

Le résultat de la déposition de chrome a l'aide d'ions est un

1 5 dépôt de chrome sur toutes les surfaces exposées du support à ba-

se de nickel. En particulier, de 0,5 pm à 5 pm de chrome sont dé-

posés sur la surface externe du support à base de nickel original.

En outre, du chrome pénètre dans le support original. Les surfaces moins accessibles, dont les parois des ouvertures et des orifices de mesure, reçoivent également un dépôt de chrome un peu plus mince. Ces dépôts de chrome plus minces sont de préférence de l'ordre de 0,1 pm ou davantage lorsqu'ils sont mesurés à partir de

la surface du support à base de nickel original.

Le procédé préféré de déposition physique en phase vapeur

est un plaquage ionique par faisceau électronique ou arc cathodi-

que dans une enceinte de plaquage ionique et est disponible com-

mercialement auprès de diverses sources dans l'industrie du pla-

quage. Des paramètres du procédé tels que la pression du gaz, la

tension anode-cathode, et le taux d'évaporation doivent être ajus-

tés de manière qu'il y ait davantage d'ions s'évaporant qui soient déposés sur la surface du support qu'enlevés par pulvérisation par l'action des ions incidents. Le plaquage a la capacité d'atteindre

toutes les surfaces du support, à des degrés divers, et pas seule-

ment les surfaces en ligne droite de la trajectoire observée de

l'ion s'évaporant au support.

Les supports à base de nickel nettoyés sont placés dans une enceinte à vide de déposition d'ions au plasma avec une électrode de chrome. Un nuage d'ions de chrome chargés est produit, lequel

nuage est ensuite déposé sur les supports à base de nickel polari-

sés négativement à un différentiel de tension entre le plasma et le support d'environ 1000 à 2000 volts. L'évaporation du chrome commence et se poursuit jusqu'à ce que l'épaisseur de revêtement

préférée soit obtenue. Puisque le support à base de nickel est di-

rectement exposé au plasma il connaît une augmentation de tem-

pérature localisée d'environ 400 C ou 500 C à la surface. Cepen-

dant, le plaquage ionique est contrôlé pour empêcher une sur-

chauffe du support dans son ensemble. L'évaporation et la déchar-

ge de gaz sont alors terminées et le support à base de nickel est mis à refroidir dans l'enceinte à vide ou dans une atmosphère de gaz inerte. Un aspect important de la présente invention est que le

plaquage ionique produit un dépôt de chrome avec une bonne adhé-

rence, une couverture uniforme, et dans les limites d'une épais-

seur déterminée.

Les supports à base de nickel chromés subissent ensuite un traitement thermique pour que les atomes de nickel et de chrome

se diffusent les uns dans les autres et forment un alliage nickel-

chrome dans la zone proche de la surface. Les conditions dans les-

quelles les supports à base de nickel chromés sont traités thermi-

quement sont contrôlées de manière que toute formation d'alliage

près de la surface se produise sans développement de grains ex-

cessif. La diffusion des atomes les uns dans les autres est de pré-

férence contrôlée pour que la diffusion de chrome soit confinée à une profondeur inférieure à 10 pm depuis la nouvelle surface du support chromé ou, de préférence encore, à une profondeur de 5 pm depuis la surface originale du support à base de nickel. Ce profil

de diffusion du traitement de surface au chrome améliore la cohé-

sion des atomes de chrome et de nickel et engendre en outre un

alliage nickel-chrome d'une résistance à la corrosion intrinsèque-

ment améliorée et à capacité de formation d'oxyde dans le cas o

la couche d'oxyde de chrome serait endommagée ou exposée.

La plage de températures préférée de ce traitement thermique

est de 700 C à 1000 C, de préférence de 725 C à 850 C, et de pré-

férence encore de 760 C à 790 C pendant deux à trois heures en-

viron. En outre, le traitement thermique est réalisé dans une at-

mosphère inerte ou dans un vide afin d'empêcher ou de minimiser l'oxydation du chrome ou du nickel durant la diffusion et l'alliage des métaux. L'effet de la diffusion de chrome dans le support à base de nickel est essentiellement un alliage de solution solide

dans la couche déposée et dans la proche surface du support.

La figure 1 illustre qualitativement la modification de la ré-

partition du chrome dans la zone proche de la surface du support à base de nickel avant et après la diffusion des atomes les uns dans

les autres due au premier traitement thermique. Comme représen-

té, la concentration de chrome a la profondeur indiquée depuis la

nouvelle surface après l'application du dépôt de chrome par pla-

quage d'ions chute rapidement de plus de 90 % en poids de chrome

à moins de 5 % en poids de chrome sur une distance de 1 pm. D'au-

tre part, le pourcentage en poids de chrome détecté a la profon-

deur indiquée depuis la surface une fois que le support plaqué a subi le premier traitement thermique montre que les atomes de

chrome se diffusent plus profondément dans le support et les ato-

mes de nickel davantage vers la surface. En clair, les atomes de nickel se sont diffusés plus près de la surface o il existe une quantité importante de nickel sur une distance de 1 pm depuis la nouvelle surface du support chromé. Les atomes de chrome se trouvent à des épaisseurs supérieures à 5 pm depuis la nouvelle surface du support chromé et à des épaisseurs de plus de 3 pm dans le support à base de nickel depuis la surface originale du support à base de nickel. Ce profil de diffusion aboutit à des zones spécifiques distinctes comprenant une zone de surface d'atomes essentiellement de chrome, une zone de chrome résiduel pouvant exister juste sous la zone de surface, et une zone proche de la

surface o un alliage nickel-chrome est formé. Un aspect impor-

tant du procédé préféré est que la zone d'alliage nickel-chrome

obtenue est stable à des températures de fonctionnement norma-

les du capteur ou de la sonde de données aérodynamiques.

Un second traitement thermique est ensuite appliqué sur le 1 5 support chromé dans une atmosphère contenant de l'oxygène qui crée une couche superficielle d'oxyde de chrome (Cr203) dans la zone de surface qui sert de barrière à la corrosion et peut être spécialement traitée pour obtenir un aspect de surface uniforme

de diverses couleurs. Ladite opération d'oxydation est de préfé-

rence effectuée dans des conditions contrôlées conçues de maniè-

re à optimiser la structure, I'aspect et la texture du produit fini.

La plage de températures à laquelle le second traitement thermi-

que est effectué est, de préférence, supérieure à la température de fonctionnement des sondes mais cependant pas élevée au point

d'entraîner une diffusion importante du chrome hors de la surface.

La plage de températures préférée pour ce second traitement thermique est de 400 C à 1000 C, de préférence de 600 C à 800 C, et de préférence encore de 625 C à 675 C. L'opération d'oxydation préférée est effectuée dans une atmosphère contenant de l'oxygène, par exemple de l'air, à une pression atmosphérique

normale. De l'oxygène pur ou un mélange d'oxygène et de gaz iner-

te, par exemple de l'argon, peut également être utilisé et des mo-

difications de la pression ou de l'humidité de l'air ambiant sont

possibles si on le souhaite. L'opération d'oxydation dure de 10 mi-

nutes à plusieurs jours et, de préférence, de 5 à 6 heures.

L'on a observé que l'apparence colorée de la sonde ou du cap-

teur de données aérodynamiques fini variait selon l'épaisseur de

la couche d'oxyde de chrome développée durant le second traite-

ment thermique. Par conséquent, en réglant la durée, la tempéra-

ture et éventuellement la pression partielle de l'oxygène, I'aspect de surface peut être modifié sans effet important sur l'intégrité du traitement de surface. La couleur perçue de la surface traitée résulte dela combinaison du support à base de nickel sous-jacent, de la couche d'oxyde de chrome et de l'interférence optique de la 1 5 couche d'oxyde de chrome avec la lumière blanche ordinaire. La forme d'oxyde de chrome la plus stable est de couleur verte. Les couleurs observées dans les capteurs de données aérodynamiques traités appartiennent à une gamme variant du jaune au bleu qui

représente des longueurs d'ondes dans la plage de 400 à 500 nano-

mètres. Pour que des couleurs d'interférence du jaune au bleu soient créées, I'épaisseur de la couche d'oxyde de chrome est au

moins de,/4p, o, est la longueur d'onde et p est l'indice de ré-

* fraction qui est de 2,5 environ pour l'oxyde de chrome. Cela cor-

respond à une épaisseur de la couche d'oxyde de chrome de 40 à 50 nanomètres. Une couleur plus foncée, plus uniforme, est obtenue à des températures plus élevées et avec des temps d'exposition plus longs. Le nettoyage des capteurs avant le premier et le second traitement thermique est préféré afin de conserver l'uniformité

de couleur et d'éviter des décolorations dues a la présence d'im-

puretés ou d'empreintes de doigts.

Sur la figure 2, la sonde de données aérodynamiques illustrée

est une sonde de Pitot, de détection statique, type, 10 qui consis-

te en un élément de détection à base de nickel 12 s'étendant de-

puis un jambage 14. Tandis que l'élément de détection 12 illustré ici est monté sur un jambage, d'autres supports sont envisagés dont un montage direct sur une aile, sur un mât ou sur d'autres

surfaces de contrôle. Dans le mode de réalisation illustré, le jam-

bage 14 s'étend depuis un organe de base 16 qui est adapté à un

montage extérieur sur un véhicule se déplaçant dans l'air (non re-

présenté). Une pluralité de montures de capteur 1 8A, 18B, 18C et un connecteur électrique 22 s'étendent depuis la plaque de base 16

jusqu'aux instruments appropriés dans le véhicule dans l'air. L'ex-

trémité avant 23 de l'élément de détection 12 comporte un orifice d'entrée de Pitot 24 qui donne vers l'avant et s'ouvre dans une

chambre de pression de Pitot 26. Au sein de la chambre de pres-

sion de Pitot 26 est disposé un tube détecteur de Pitot 28 adapté à détecter l'impact du flux d'air sur la sonde. Une pluralité de

cloisons arrière 32A, 32B, 32C à l'intérieur de l'élément de dé-

tection 1 2 séparent la chambre de pression de Pitot 26 de cham-

bres de détection arrière 34A et 34B. Chaque chambre de détection arrière 34A et 34B est, de préférence, dotée d'un petit orifice de

détection statique 36A et 36B, et d'un tube de détection de pres-

sion statique 38A et 38B, qui s'étend des chambres de détection arrière 34A et 34B dans le jambage 14 et jusqu'aux instruments aérospatiaux appropriés. Dans tout l'élément de détection 12 et le

jambage 1 4 sont disposées intérieurement des bobines de chauf-

fage 39 adaptées à être utilisées durant des opérations d'anti-

givrage et de dégivrage.

Comme représenté sur la figure 3, une vue en coupe partielle de l'élément de détection 12, dont les dimensions sont exagérées, illustre l'élément de détection 12 doté d'une couche d'oxyde de

chrome 40 formée sur les surfaces exposées externes 42 de l'élé-

ment de détection 12, sur les parois des orifices d'entrée de Pitot

44 et sur les parois des orifices de détection statique 46. En ou-

tre, une couche d'alliage nickel-chrome 50 est disposée juste sous la couche d'oxyde de chrome 40. Bien que cela ne soit pas repré-

senté sur le dessin, il est possible que du chrome résiduel demeu-

re entre la couche d'oxyde de chrome 40 et la couche de l'alliage

nickel-chrome 50. De toute façon, la couche d'alliage nickel-

chrome 50 est disposée sur le corps à base de nickel 60 de l'élé-

ment de détection 12. Comme indiqué précédemment, la couche

d'oxyde de chrome 40 a de préférence une épaisseur comprise en-

tre 40 et 50 nanomètres tandis que la couche d'alliage nickel-

chrome 50 peut atteindre 10 pm d'épaisseur. Un tel agencement de couches d'oxyde de chrome, d'alliage nickel-chrome et de corps à

base de nickel de l'élément de détection forme une sonde de don-

nées aérodynamiques qui conserve la conductivité thermique re-

quise tout en étant dotée de propriétés de résistance à la cor-

rosion améliorées.

Suivent ci-dessous des exemples descriptifs de l'application d'un traitement de surface au chrome sur des supports à base de nickel, des essais comparatifs de corrosion des supports à base de nickel traités au chrome, et de contrôle d'aspect et de couleur de surface des capteurs traités de données aérodynamiques. Il est entendu que la portée de la présente invention n'est pas limitée aux exemples spécifiques décrits. Au contraire, la portée de la

présente invention est définie par les revendications annexées et

leurs équivalents.

EXEMPLE 1 - TRAITEMENT DE SURFACE AU CHROME

Le procédé de déposition à l'aide d'ions utilisé dans le présent exemple est un plaquage ionique par faisceau électronique du type connu dans l'art et généralement disponible auprès de nombreuses firmes commerciales ou de spécialistes de l'industrie de plaquage

ionique. Le procédé de déposition d'ions au plasma est mis en oeu-

vre dans une enceinte à vide de plaquage ionique au plasma o de multiples échantillons d'essai des supports à base de nickel sont suspendus. Dans cet exemple, les échantillons d'essai à base de nickel sont faits d'un produit en feuille recuit de Nickel 200 et ont des dimensions de 2,5 cm x 10 cm x 0,25 cm. De multiples trous sont percés dans les échantillons pour imiter la grosseur des trous utilisés dans les tubes de Pitot de construction standard et ont approximativement un diamètre de 2 mm et 1 mm. Les échantillons sont nettoyés puis placés dans l'enceinte de plaquage ionique au plasma avec une électrode de chrome. Un nuage d'ions de chrome chargés est produit au sein de l'enceinte de plaquage et les ions de chrome chargés sont déposés sur les échantillons de 1 5 charge opposée. Les conditions du procédé de déposition d'ions au plasma sont une tension de polarisation d'environ 1000 a 2000

volts, un courant d'environ 10 OmA et une pression d'enceinte d'en-

viron 10-2Pa. Le procédé de plaquage ionique est contrôlé pour éviter une surchauffe du support dans son ensemble en réglant la tension et les courants appliqués. Le procédé de déposition de

chrome est terminé en une heure environ.

Ce procédé de plaquage ionique par faisceau électronique aboutit à un dépôt de chrome sur la surface externe du support de Nickel 200 de 1,7 pm + 0,7 pm. Le dépôt de chrome adhère et est relativement uniforme pour chaque échantillon. Aucun écaillage de la couche de chrome n'apparaît. Le dépôt de chrome s'avère couvrir

toutes les surfaces, y compris les parois des ouvertures ou orifi-

ces. Le dépôt de chrome sur les parois des orifices est d'environ 0,3 pm (épaisseur nominale), plus mince que le dépôt de chrome

externe.

Le traitement par déposition de chrome à l'aide d'ions est de

préférence suivi de deux traitements thermiques distincts et in-

dépendants. Dans le premier traitement thermique, les échantil-

Ions plaqués d'ions sont traités thermiquement pour une diffusion les uns dans les autres des atomes de nickel et de chrome et pour former un alliage nickel-chrome a la surface. Les conditions sont choisies de manière à obtenir un tel alliage sans développement de grains excessif. La plage de températures du traitement thermique

est de 760 C à 790 C a une pression d'environ 1 0-3Pa. Les sup-

ports à base de nickel sont soumis à ce premier traitement ther-

mique pendant deux à trois heures.

La microstructure chromée est identifiée par des procédés métallographiques classiques et une microscopie électronique avant et après le premier traitement thermique. La composition

est étudiée au moyen d'un système d'analyse à rayons X de disper-

sion d'énergie (EDX) associé au microscope électronique à balaya-

ge. L'analyse de surface fournit les points de mesure quantitative de la figure 1 et indiqués dans la Table 1 avec la précision de l'analyse EDX, qui montrent que les atomes de chrome se diffusent

plus profondément dans le support et les atomes de nickel davan-

tage vers la surface. L'analyse de surface révèle également qu'un développement de grains excessif dans les alliages nickel-chrome est évité et qu'une bonne adhérence du dépôt de chrome au support

est préservée.

Après le procédé de déposition par ions Après le premier traitement thermique Profondeur depuis % en poids Profondeur depuis % en poids la surface de chrome la surface de chrome 0, 83 pm 97,0 % 0,67 pjm 44,9 % 2,33 pm 2,1 % 2,17J pm 23,3 % 3,67 pm 1,1% 3,33 pm 13,4 % 4,67 prn 0,9 % 5,00 rm S,0% ** ** 6,33 pm 0,6 % Table 1. Répartition de chrome dans la zone proche de la surface

Une fois les échantillons soumis au premier traitement ther-

mique, ils sont traités dans des conditions contrôlées qui créent une mince couche superficielle d'oxyde de chrome (Cr203), d'une épaisseur de l'ordre de 20 à 80 nanomètres qui sert de couche protectrice et donne un aspect de surface uniforme. Les conditions

contrôlées pour le second traitement thermique sont sélection-

nées de manière que les températures utilisées soient supérieures

aux températures normales de fonctionnement des sondes de don-

nées aérodynamiques (supérieures a 400 C). Ces conditions créent

une oxydation du chrome et n'entraînent pas une diffusion impor-

tante du chrome hors de la surface, ni une diffusion importante dans le support. Ce second traitement thermique est effectué à une température d'environ 500 C pendant une heure environ dans

une atmosphère de laboratoire standard avec une humidité am-

biante. EXEMPLE 2 - ESSAI DE CORROSION DE COMPOSANT EN NICKEL TRAITÉ Un autre échantillon se présentant sous la forme d'une sonde de données aérodynamiques est préparé en sélectionnant un tube d'alliage de Nickel 211 d'environ 2,1 cm de diamètre et 11,5 cm de

long. Un élément de chauffage généralement utilisé dans les son-

des de Pitot aérospatiales est soudé par brasage dans le tube.

L'échantillon est traité par le procédé préféré de traitement de

surface au chrome à trois phases décrit ci-dessus.

L'échantillon est ensuite soumis à un essai de corrosion ac- célérée. L'essai de corrosion accélérée consiste en la mise sous tension et hors tension répétée de l'élément de chauffage dans

l'échantillon en continu jusqu'à obtention de l'aspect d'une cor-

rosion importante. L'élément de chauffage est mis sous tension pendant 10 minutes puis hors tension pendant 15 minutes dans un cycle répété en continu. L'échantillon est suspendu au-dessus

d'une cuve d'une solution simulant de l'eau de mer pendant la du-

rée de l'essai et est régulièrement aspergé de la solution simulant de l'eau de mer pendant 10 secondes environ juste avant chaque 1 5 mise sous tension de l'élément de chauffage. La solution simulant de l'eau de mer est pulvérisée sur les surfaces externes de l'échantillon. La solution simulant de l'eau de mer utilisée dans l'essai de corrosion accélérée consiste en 23 g de NaCI; 8 g de Na2SO4.1 OH20; 0,2 g de KCI; 0,9 g de KBr; 11 g de MgCI2.6 H20; 2,2 g de CaCI2.6 H20; et suffisamment d'eau distillée pour faire

1 litre.

L'échantillon est soumis à cet essai de corrosion accélérée pendant 30 jours sans corrosion extérieure visible. A titre de

comparaison, les sondes de nickel non traitées présentent généra-

lement des configurations de corrosion irrégulières après un jour

environ de l'essai de corrosion accélérée et présentent générale-

ment une corrosion importante au bout de sept jours.

EXEMPLE 3 - ASPECT DE SURFACE DU CAPTEUR

DE DONNEES AERODYNAMIQUES TRAITE

Six échantillons consistant en portions d'une sonde de données

aérodynamiques à base de nickel sont chromés et soumis au pre-

mier traitement thermique décrit ci-dessus. Les échantillons sont ensuite soumis au second traitement thermique décrit ci-dessus à

diverses températures et pendant des durées variables afin d'ob-

tenir différents aspects de surface des échantillons. L'aspect de

surface des échantillons dépend de l'épaisseur de la couche d'oxy-

de de chrome qui est fonction de la durée, de la température et de la pression du second traitement thermique. La pression partielle

de l'oxygène dans l'air a la pression atmosphérique avec une humi-

dité ambiante est utilisée pour oxyder les six échantillons. Les effets de la durée et de la température sont examinés tandis que

les échantillons sont traités thermiquement dans un four de labo-

ratoire chauffé par résistance. Les échantillons traités sont soi-

gneusement nettoyés avant le second traitement thermique pour

enlever toutes les graisses, huiles, et empreintes de doigts résul-

tant de la manipulation des composants. Certains des échantillons sont nettoyés avec de l'acétone, puis du trichloréthane et sont enfin essuyés avec de l'éthanol. La Table 2 indique les conditions

de ce second traitement thermique et l'apparence colorée résul-

tante des échantillons.

Echantillon Température Durée de Pression d'air Apparence de traitement traitement colorée thermique thermique 11095-18-2 500 C 1 h atmosphérique brun or 11095-19-1 600 C 1 h atmosphérique bleu acier 11095-19-2 650 C 1 h atmosphérique gris bleu 11 095-19-3 700 C 1 h atmosphérique brun gris 11095-20-1 650 C 2 h atmosphérique brun or 1 1095-50-2 650 C 42 h atmosphérique gris foncé Table 2. Aspect de surface des échantillons traités Il ressort de ce qui précède que la présente invention propose donc un procédé pour appliquer un traitement de surface au chrome

sur des supports à base de nickel qui donne une meilleure résis-

tance à la corrosion tout en conservant la conductivité thermique 1 5 et d'autres propriétés mécaniques préférées du support à base de nickel. Il apparaît en outre que diverses modifications peuvent être apportées aux variables et conditions spécifiques identifiées dans les phases préférées en ce qui concerne les températures de

traitement, les durées, les pressions, les matériaux, et les dimen-

sions des supports sans s'éloigner de l'esprit et de la portée de la présente invention ou sacrifier tous ses avantages matériels, les

procédés décrits ci-dessus étant seulement des exemples de mo-

des de réalisation de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé d'application d'un traitement de surface au chrome sur un support à base de nickel pour améliorer la résistance à la (substrat) corrosion dudit support/à base de nickel tout en conservant sa

conductivité thermique, le procédé comprenant les phases consis-

tant à: (a) déposer des atomes de chrome sur ledit support à base de nickel en utilisant un procédé de déposition physique en phase vapeur; (b) diffuser les uns dans les autres les atomes de chrome et de nickel dudit support à base de nickel chromé; et (c) oxyder lesdits atomes de chrome dudit support à atomes

diffusés à base de nickel pour créer une couche d'oxyde de chrome.

2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ladite phase de

diffusion les uns dans les autres des atomes de chrome et de ni-

i5 ckel dudit support à base de nickel chromé comprend en outre la phase consistant à traiter thermiquement ledit support à base de

nickel chromé dans une atmosphère généralement inerte.

3. Procédé selon les revendication 1 et 2, dans lequel ladite pha-

se d'oxydation desdits atomes de chrome dudit support à atomes diffusés à base de nickel pour créer une couche d'oxyde de chrome comprend en outre la phase consistant à traiter thermiquement

ledit support à atomes diffusés a base de nickel dans une atmos-

phère contenant de l'oxygène.

4. Procédé selon les revendications 1, 2 et 3, dans lequel ladite

phase de déposition d'atomes de chrome sur ledit support à base

de nickel en utilisant ledit procédé de déposition physique en pha-

se vapeur comprend en outre le plaquage ionique dudit support à

base de nickel dans une enceinte à vide.

5. Procédé selon la revendication 1, comprenant en outre la phase

S consistant à nettoyer ledit support à base de nickel.

6. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ledit support à

base de nickel comprend en outre un support en métal fait d'un al-

liage à teneur élevée en nickel.

7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel ledit alliage à

teneur élevée en nickel comprend au moins 90 % en poids de nickel.

8. Procédé selon les revendications 1 a 4, dans lequel ladite pha-

se de déposition d'atomes de chrome sur ledit support à base de nickel crée un dépôt de chrome d'une épaisseur comprise entre

0,1 pm et 5,0 pm.

9. Procédé selon la revendication 2, dans lequel ladite phase de traitement thermique dudit support a base de nickel chromé dans une atmosphère généralement inerte pour la diffusion les uns dans

les autres d' atomes de chrome et de nickel diffuse lesdits ato-

mes de chrome jusqu'à une profondeur de 10 pm dans ledit support

à base de nickel.

10. Procédé selon les revendications 2 et 9, dans lequel ladite

phase de traitement thermique dudit support à base de nickel chromé dans une atmosphère généralement inerte pour la diffusion les uns dans les autres des atomes de chrome et de nickel a lieu

dans une plage de températures de 700 C à 1000 C.

11. Procédé selon les revendications 2 et 9, dans lequel ladite

phase de traitement thermique dudit support à base de nickel chromé dans une atmosphère généralement inerte pour la diffusion les uns dans les autres des atomes de chrome et de nickel a lieu dans une plage de températures de 760 C à 790 C pendant deux à

trois heures.

12. Procédé selon la revendication 3, dans lequel ladite phase de traitement thermique dudit support à base de nickel chromé dans une atmosphère contenant de l'oxygène pour créer une couche

d'oxyde de chrome comprend le traitement thermique dudit sup-

port à base de nickel chromé dans une plage de températures de

400 C à 1000 C.

13. Procédé selon les revendications 3 et 12, dans lequel ladite

phase de traitement thermique dudit support à base de nickel chromé dans une atmosphère contenant de l'oxygène pour créer une couche d'oxyde de chrome comprend le traitement thermique dudit support à base de nickel chromé pendant une durée allant de 10

minutes à plusieurs jours.

14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, dans lequel ledit

support à base de nickel est une sonde ou un capteur de données aérodynamiques.

15. Sonde de données aérodynamiques comprenant un élément de détection et un corps de sonde, ledit corps de sonde comprenant un support à base de nickel;

une zone à diffusion d'alliages nickel-chrome près d'une sur-

face externe dudit support, ladite zone intermédiaire formée par la déposition du chrome sur ledit support à base de nickel et la diffusion dudit chrome avec celui-ci; et

une couche d'oxyde de chrome formée sur ladite zone à dif-

fusion des alliages nickel-chrome; de sorte que ladite sonde de données aérodynamiques conserve suffisamment de propriétés de conductivité thermique tout en

possédant des propriétés de résistance à la corrosion améliorées.

16. Sonde de données aérodynamiques selon la revendication 1 5, dans laquelle ledit support à base de nickel comprend en outre un

support en métal fait d'un alliage à teneur élevée en nickel ren-

fermant au moins 90 % en poids de nickel.

17. Sonde de données aérodynamiques selon les revendications 15

et 16, dans laquelle ladite zone à diffusion d'alliages nickel-

chrome a une épaisseur comprise entre 1 pm et 10 pm environ.

1 5

18. Sonde de données aérodynamiques selon les revendications 15

à 17, dans laquelle ladite zone à diffusion d'alliages nickel-

chrome comprend en outre des atomes de chrome non alliés dis-

persés au sein desdits alliages nickel-chrome.

19. Sonde de données aérodynamiques selon l'une quelconque des

revendications 15 à 18, dans laquelle ladite zone à diffusion d'alliages nickel-

chrome a une concentration en chrome échelonnée qui est fonction de la

profondeur depuis ladite surface externe dudit support.

20. Sonde de données aérodynamiques selon les revendications 15

à 19, dans laquelle ladite couche d'oxyde de chrome a une épais-

seur comprise entre 20 et 80 nanomètres environ.