FR2748494A1 - Piece en alliage haute temperature, portant par endroits un revetement protecteur supplementaire, et son procede de fabrication - Google Patents
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Abstract
On forme un revêtement résistant à l'environnement, de type ponctuel, sur une surface localisée choisie d'une pièce travaillant à haute température, en appliquant à cette surface une couche d'au moins un élément choisi parmi Pt, Rh et Pd, de préférence Pt, en une épaisseur de 0,0002 pouce à moins de 0,0006 pouce et à une distribution moyenne d'au moins 0,07 gramme par pouce carré. On chauffe la couche à 1800 deg.F à environ 2050 deg.F pendant une demie-heure à environ 4 heures pour faire diffuser l'élément dans la surface. On aluminure ensuite la couche pour obtenir une épaisseur totale moyenne de revêtement de 0,001 pouce à 0,005 pouce. La pièce ainsi obtenue porte un revêtement supplémentaire résistant à l'environnement. Le revêtement comprend une partie externe contenant au moins 17% en poids de l'élément choisi et un aluminure du substrat, et une partie interne qui est une zone de diffusion entre la partie externe et la surface. Selon un mode de réalisation, la partie externe comporte deux phases, une première phase constituée d'un aluminure de l'élément choisi qui est présent à une teneur d'au moins 40% en poids, et une seconde phase, mêlée à la première, qui comprend un aluminure dont la teneur en Al est d'au moins 20% en poids.
Description
Pièce en alliage haute température, portant par endroits un revête-
ment protecteur supplémentaire, et son procédé de fabrication.
La présente invention concerne des pièces en superalliage haute
température à base de nickel, revêtues pour la protection contre l'environ-
nement, et, plus particulièrement, de telles pièces qui présentent au moins
une surface de pièce choisie, localisée, portant un revêtement supplémen-
taire qui protège contre l'environnement. Pendant le fonctionnement de pièces haute température telles que les éléments de machines à turbine à gaz, les surfaces exposées des
pièces peuvent être soumises à des conditions très corrosives et très oxy-
dantes. Le développement de la technique des turbines à gaz a donc inclus la mise au point de divers revêtements résistant à de telles conditions dures. De tels revêtements connus comprennent les formes disponibles dans le commerce de revêtement aluminurant Codep, dont des exemples sont décrits dans les brevets U.S. n 3 598 638 de Levine (délivré le Août 1971) et n 3 667 985 de Levine et al (délivré le 6 Juin 1972). Il existe, associée à l'aluminuration générale, une aluminuration localisée par un revêtement de type rapiéçage, comme cela est décrit dans le brevet
U.S. n 4 004 047 de Grisik, délivré le 18 Janvier 1977.
D'autres formes de revêtement haute température utilisées pour la protection contre l'environnement comprennent des combinaisons de métaux choisis dans le groupe du platine, en particulier Pt, Rh et Pd, et d'une aluminuration. Des formes de cette combinaison de revêtements sont décrites dans les brevets U.S. n 3 819 338 de Bungardt et al (délivré le 25 Juin 1974) et n 3 979 273 de Panzera et al (délivré le
7 Septembre 1976).
Le contenu de chacun des brevets cités précédemment est incor-
poré ici à titre de référence.
Des revêtements de divers types, y compris un revêtement total
en aluminure de platine, ont été décrits et utilisés comme revêtements pro-
tecteurs pour des éléments de machine à turbine à gaz fonctionnant à haute température, tels que des ailettes de turbine haute pression (ATHP). Tou-
tefois, certains problèmes sont apparus pendant la fabrication et/ou l'uti-
lisation de telles pièces. Par exemple, pendant la durée de service d'une ATHP normale, plusieurs réparations partielles et au moins une réparation
complète seront généralement nécessaires pour augmenter la durée d'uti-
lisation d'un tel élément qui est à l'origine relativement cher à fabriquer.
De telles réparations ultérieures peuvent être compliquées par l'applica-
tion, lors de la fabrication de la pièce à l'origine, d'un revêtement proté-
geant contre l'environnement, généralement désigné par revêtement bar-
rière thermique et à base de matière type céramique, telle que la zircone, stabilisée en général par des matières telles que l'oxyde d'yttrium. Etant à base de céramique, un tel revêtement a plus tendance qu'un revêtement à base de métal à être cassant et à se briser lors d'un traitement ultérieur tel
qu'une réparation, après l'application initiale. En conséquence, la répara-
tion de surfaces partielles d'une pièce revêtue d'une barrière thermique est plus difficile. Dans tous les cas, un revêtement de surface par endroits ou par taches, fiable, est nécessaire pour la réparation ou pour augmenter la résistance à l'environnement de surfaces choisies localisées d'une pièce travaillant à haute température, à laquelle a été appliqué un revêtement de
surface protégeant contre l'environnement.
Selon un premier aspect, la présente invention concerne un pro-
cédé de réalisation d'un revêtement résistant à l'environnement sur une
surface choisie localisée d'une pièce. Pour éviter le revêtement de surfa-
ces adjacentes à la surface choisie à revêtir, les autres surfaces de la pièce, adjacentes à la surface localisée choisie, sont habituellement masquées,
en particulier par une matière qui ne réagit pratiquement pas avec la sur-
face de la pièce. On applique à la surface localisée choisie une première partie de revêtement renfermant au moins un élément choisi parmi Pt, Rh
et Pd, en une épaisseur moyenne comprise dans l'intervalle allant d'envi-
ron 0,0002 pouce à moins de 0,0006 pouce et à une distribution moyenne d'élément d'au moins environ 0,07 gramme par pouce carré. On chauffe la première partie dans une atmosphère non oxydante, à une température
comprise dans l'intervalle allant d'environ 1800 F à environ 2050 F, pen-
dant environ une demi-heure à environ 4 heures, pour permettre à l'élé-
ment choisi de diffuser dans la surface localisée. On soumet ensuite la pre-
mière partie à une aluminuration pour obtenir sur la surface choisie un revêtement résistant à l'environnement, qui comprend une partie externe renfermant de l'aluminure de nickel et l'élément choisi, de préférence le platine, qui a diffusé dedans et qui est présent en une teneur d'au moins environ 17% en poids. Selon une forme à deux phases de la partie externe,
telle qu'appliquée, l'élément choisi est présent sous la forme d'un alumi-
nure de l'élément choisi dans une première phase qui est entremêlée d'une seconde phase constituée d'aluminure de nickel, la teneur de la première phase en élément choisi étant au moins environ 40% en poids. Une partie interne du revêtement comprend de l'élément choisi tel que le platine, ayant diffusé, dans de l'aluminure de nickel et des éléments ayant diffusé à partir de la surface choisie. On obtient un revêtement ayant une épaisseur totale moyenne comprise dans l'intervalle allant d'environ 0,001 pouce à
environ 0,005 pouce.
Selon un deuxième aspect, la présente invention concerne une
pièce présentant un substrat, par exemple un substrat en alliage haute tem-
pérature tel qu'un superalliage à base de nickel ou un substrat constitué
d'un revêtement protégeant contre l'environnement, appliqué précédem-
ment, et au moins une partie localisée de surface, appartenant au substrat,
et qui comprend un revêtement supplémentaire résistant à l'environne-
ment, sur la partie localisée de surface. Le revêtement comprend une par-
tie externe constituée d'aluminure de nickel et d'au moins l'un des métaux Pt, Rh et Pd qui a diffusé dedans, en particulier, selon un aspect, sous la
forme d'une phase séparée. Une telle partie externe à deux phases com-
prend une première phase constituée d'un aluminure d'au moins l'un des métaux Pt, Rh et Pd (de préférence Pt), présent à une teneur d'au moins
environ 40% en poids, entremêlée d'une seconde phase constituée d'alu-
minure de nickel, et la teneur en AI de la partie externe est d'au moins envi-
ron 20% en poids. Le revêtement comprend également une partie interne qui est une zone de diffusion entre la partie externe et le substrat, la partie
interne renfermant de l'élément choisi ayant diffusé, tel que Pt, de l'alumi-
nure de nickel et des éléments ayant diffusé à partir de la partie externe du substrat. Deux cas généraux o un revêtement de surface supplémentaire
localisé, présentant de la résistance à un environnement à haute tempéra-
ture, est souhaité, sont la réparation partielle ou miniréparation de parties d'une pièce et l'augmentation, pendant la fabrication ou la réparation, de
la protection d'une ou plusieurs surfaces choisies de la pièce, particulière-
ment exposées à des conditions pénibles de fonctionnement à haute tem-
pérature. Des exemples de telles surfaces choisies de pièces sont des sur-
faces soumises à une érosion élevée, une forte oxydation, une forte corro-
sion ou un frottement éventuel, telles que les extrémités d'ailettes de tur-
bine, les bords d'attaque ou les bords postérieurs, ou les surfaces de plate-
forme.
Les ailettes de turbine de machine à turbine à gaz moderne possè-
dent fréquemment un revêtement en aluminure de platine sur la surface
exposée à l'environnement lors du fonctionnement. Remplacer le revête-
ment entier lorsque seulement une ou plusieurs surfaces localisées néces-
sitent une réparation, est coûteux à la fois en matière et en main d'oeuvre.
La présente invention fournit un revêtement protecteur supplémentaire,
localisé, peu coûteux, pour des surfaces localisées, choisies, d'une pièce.
Le revêtement supplémentaire de la présente invention com-
porte une partie interne et une partie externe, ayant une composition élé-
mentaire équilibrée, telle qu'elle fournit la protection souhaitée contre
l'environnement dans les conditions dures de fonctionnement que l'on ren-
contre dans la partie turbine d'une machine à turbine à gaz. Il se présente sous la forme d'une réparation par taches ou par endroits, il a une épaisseur compatible avec les conditions aérodynamiques exigées pour la surface et
il résiste à un effritement tel que celui des revêtements barrières thermi-
ques, adjacents au revêtement supplémentaire complexe. Lors de la mise au point de la présente invention, on a constaté que l'on peut obtenir un tel
revêtement souhaitable grâce à un choix précis de la composition élémen-
taire, et de la distribution et de l'épaisseur de chaque couche ou partie de couche appliquée, combiné à un traitement thermique qui développe la
structure du revêtement protecteur.
Selon un mode de réalisation de pièces conforme à la présente invention, le revêtement supplémentaire localisé comporte une partie externe contenant de l'aluminure de nickel dans lequel a diffusé au moins un élément choisi parmi Pt, Rh et Pd (de préférence Pt), l'élément choisi étant présent à raison d'au moins environ 17% en poids. Selon un autre mode de réalisation, la partie externe, telle qu'appliquée, est une partie
externe comportant deux phases entremêlées: une première phase consti-
tuée d'un aluminure des éléments du groupe du platine, de préférence le platine, dont la teneur en ledit élément est d'au moins environ 40% en
poids de façon à ce que l'on obtienne une protection adéquate lors de la dif-
fusion avec d'autres ingrédients du revêtement, et une seconde phase constituée d'aluminure de nickel. La teneur en AI est d'au moins environ % en poids pour cette même raison. En combinaison avec l'une ou l'autre forme de partie externe se trouve une partie interne, dont la structure est également développée par le traitement thermique ultérieur et qui est une zone de diffusion entre la partie externe et le substrat, comprenant de l'élément choisi tel que le platine, ayant diffusé, de l'aluminure de nickel
et des éléments ayant diffusé à partir du substrat.
Conformément au procédé de la présente invention, après avoir
choisi une ou plusieurs surfaces localisées auxquelles le revêtement sup-
plémentaire doit être appliqué, les avoir nettoyées et avoir masqué les sur-
faces adjacentes par une matière masquante non réactive, on applique une première partie de revêtement, constituée d'éléments choisis parmi les
éléments du groupe du platine, tels que Pt, Rh et Pd. Dans le présent exem-
ple, la pièce à revêtir est une ailette de turbine de machine à turbine à gaz, en superalliage à base de nickel, disponible dans le commerce, parfois désigné par alliage René 80, dont une forme est décrite dans le brevet U.S. n 3 615 376 de Ross, délivré le 26 Octobre 1971. On nettoie une surface choisie de l'ailette par décapage au sable de façon à éliminer de cette zone
le revêtement existant et à exposer le superalliage à base de nickel consti-
tuant le substrat. Les zones adjacentes sont masquées à l'aide d'un ruban de placage. Lors de la mise au point de la présente invention, on a utilisé l'élément Pt et on l'a appliqué par une technique industrielle classique de
dépôt électrolytique. Toutefois, on connait divers procédés pour l'appli-
cation du platine, qui comprennent, outre le dépôt par électrolyse, l'appli-
cation à la brosse ou par taches, le dépôt par étincelle électrique, le dépôt ionique, la projection, etc. Des modes de réalisation de dépôt de platine
sont décrits dans les brevets Bungardt et al et Panzera et al incorporés pré-
cédemment. Toutefois, conformément au procédé de la présente inven-
tion, on a constaté que, pour obtenir un revêtement localisé présentant une résistance adéquate à l'environnement, il faut que le platine appliqué pré- sente une épaisseur moyenne comprise dans l'intervalle allant d'au moins
environ 0,0002 pouce pour une protection efficace jusqu'à moins d'envi-
ron 0,0006 pouce, valeur à laquelle et au-dessus de laquelle le revêtement résultant d'aluminure de platine se révèle devenir fragile. En outre, pour l'obtention d'une protection uniforme de la surface, la quantité moyenne de platine distribuée doit être d'au moins environ 0, 07 gramme par pouce carré. Dans la présente invention, après dépôt du platine, on chauffe la
première partie qui comprend dans cet exemple le platine, dans une atmos-
phère non oxydante contenant le vide ou des gaz inertes, à une température
comprise dans l'intervalle allant d'environ 1800 F à environ 2050 F, pen-
dant environ une demi-heure à environ 4 heures, pour faire diffuser le pla-
tine dans la surface localisée. Dans cet exemple, l'épaisseur de platine déposé est d'environ 0,0002 à 0,0004 pouce et on effectue le chauffage dans le vide à une température comprise dans l'intervalle allant d'environ 1800 F à environ 1950 F, pendant une demi-heure à 2 heures, pour faire
diffuser le platine et le substrat l'un dans l'autre.
La partie de surface localisée choisie, ainsi revêtue d'un métal du groupe du platine tel que le platine, est aluminurée par un procédé
d'aluminuration industriel classique, tel que le procédé du type cémenta-
tion en tas, décrit dans le brevet U.S. n 3 667 985 de Levine et al, dont le contenu a été incorporé précédemment, par un procédé dans lequel seule la vapeur est en contact avec la surface, comme cela est décrit dans le brevet
U.S.n 3 598 638 de Levine, dont le contenu a été incorporé précédem-
ment, ou par un procédé dans lequel une bouillie d'une poudre aluminu-
rante est en contact avec la surface. Toutefois, conformément au procédé de la présente invention, il faut réaliser l'aluminuration de façon à obtenir au moins environ 17% en poids de platine dans la partie externe, et au moins environ 40% en poids dans la forme partie externe à deux phases, pour une protection efficace par le revêtement par taches, et à obtenir une épaisseur totale moyenne de revêtement d'environ 0,001 pouce à environ
0,005 pouce pour éviter la fissuration ou l'effritement du revêtement loca-
lisé appliqué.
Dans le présent exemple, on réalise l'aluminuration tout en chauffant dans une atmosphère non oxydante, à une température comprise
dans l'intervalle allant d'environ 1850 F à environ 2050 F, pendant envi-
ron 1 heure à environ 4 heures, pour permettre la diffusion des parties et
pour obtenir la structure du revêtement selon la présente invention. Toute-
fois, certains modes d'aluminuration industrielle peuvent être réalisés à des températures inférieures, sans un tel traitement thermique. Lorsqu'on réalise l'aluminuration selon le procédé du type en tas, dans lequel la pièce est immergée dans un tas de poudre aluminurante, on obtient généralement
par ce procédé la partie externe à structure à deux phases, décrite précé-
demment. Dans une telle partie externe, la teneur en platine de l'aluminure
de platine de la couche externe première phase doit être d'au moins envi-
ron 40% en poids. Toutefois, lorsque la partie externe à une seule phase décrite précédemment est produite, ce qui est le cas lorsque seule une vapeur aluminurante est en contact avec le substrat, on constate qu'une teneur en platine comprise dans l'intervalle allant d'environ 17 à environ
25% en poids peut communiquer au revêtement final une résistance adé-
quate à l'environnement. La teneur en AI doit être d'au moins environ 20%
en poids pour les mêmes raisons.
Le résultat de la mise en oeuvre du procédé décrit précédemment selon la présente invention est un revêtement supplémentaire résistant à
l'environnement, appliqué sur une surface localisée choisie d'une pièce.
D'après les exemples précédents du présent procédé, le revêtement com-
prend une partie externe et une partie interne, telles que décrites précé-
demment. Selon une forme de réalisation, la partie externe comporte deux
phases: une première phase constituée d'aluminure de platine, se présen-
tant à la photomicrographie sous la forme d'une phase relativement claire,
qui a une teneur en Pt d'au moins environ 40% en poids et qui est entremê-
lée d'une seconde phase constituée d'aluminure de nickel, ladite seconde
phase se présentant à la photomicrographie sous la forme d'une phase rela-
tivement sombre, ayant de préférence un volume à peu près égal à celui de la première phase et présentant une teneur en Al d'au moins environ 20% en poids. La partie interne est une zone de diffusion entre la partie externe et le substrat en superalliage à base de nickel et elle renferme du platine
ayant diffusé, de l'aluminure de nickel et des éléments ayant diffusé à par-
tir du substrat. L'épaisseur totale moyenne du revêtement est comprise dans l'intervalle allant d'environ 0,001 pouce à environ 0,005 pouce.
Selon une autre forme de réalisation, la partie externe possède une struc-
ture à une seule phase, comprenant de laluminure de nickel dans lequel a
diffusé au moins environ 17% en poids de platine.
La présente invention a été décrite à l'aide de divers modes de réalisation, exemples et combinaisons. Toutefois, les spécialistes des techniques considérées constateront et comprendront que de nombreuses
modifications et variations peuvent être apportées à ces modes de réalisa-
tion, exemples et combinaisons sans que l'on sorte du cadre de l'invention
telle qu'elle est définie dans les revendications annexées.
Claims (9)
1. Procédé pour former un revêtement résistant à l'environne-
ment sur une surface localisée choisie d'une pièce, jouant le rôle de sub-
strat, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à:
appliquer à la surface localisée une première partie de revête-
ment, renfermant au moins un élément choisi dans le groupe constitué de Pt, Rh et Pd, en une épaisseur moyenne comprise dans l'intervalle allant d'environ 0,0002 pouce à moins de 0,0006 pouce et à raison d'une quantité moyenne d'élément choisi distribuée d'au moins environ 0,07 gramme par pouce carré, chauffer la première partie dans une atmosphère non oxydante, à
une température comprise dans l'intervalle allant d'environ 1 800 F à envi-
ron 2050 F, pendant environ une demi-heure à environ 4 heures, pour faire diffuser l'élément choisi dans la surface localisée, et aluminurer la première partie pour former sur la surface choisie un revêtement résistant à l'environnement, comprenant une partie externe
qui renferme l'élément choisi et un aluminure du substrat, la teneur en élé-
ment choisi étant d'au moins environ 17% en poids, et une partie interne qui est une zone de diffusion comprenant l'élément choisi, un aluminure
du substrat et des éléments ayant diffusé à partir du substrat, et pour com-
muniquer au revêtement une épaisseur totale moyenne comprise dans
l'intervalle allant d'environ 0,001 pouce à environ 0,005 pouce.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le sub-
strat est un superalliage à base de nickel.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'alu-
minuration comprend le chauffage à une température comprise dans l'intervalle allant d'environ 1850 F à environ 2050 F, pendant environ 1 heure à environ 4 heures, pour créer une partie interne de diffusion et une partie externe à deux phases, la partie externe à deux phases renfermant: a) une première phase constituée d'un aluminure d'au moins un élément choisi dans le groupe constitué de Pt, Rh et Pd, dont la teneur en élément choisi est d'au moins environ 40% en poids, entremêlée de b) une seconde phase constituée d'un aluminure dont la teneur en AI est d'au moins environ 20% en poids, et la partie interne étant une zone de diffusion entre la partie externe et le substrat, qui comprend l'élément choisi, de l'aluminure de
nickel et des éléments ayant diffusé à partir du substrat.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'élé-
ment choisi est le platine, le platine est appliqué en une épaisseur comprise dans l'intervalle allant d'environ 0,0002 pouce à environ 0,0004 pouce, et la première partie est chauffée à une température comprise dans l'intervalle allant d'environ 1800 F à environ 1950 F, pendant environ
une demi-heure à 2 heures.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le chauffage forme une partie externe ayant une structure à une seule phase,
qui comprend de l'aluminure de platine dans lequel a diffusé de l'alumi-
nure de nickel.
6. Pièce comportant un substrat, caractérisée en ce que au moins
une partie de surface localisée dudit substrat porte un revêtement supplé-
mentaire résistant à l'environnement, qui comprend une partie externe comprenant un aluminure du substrat et au moins environ 17% en poids d'au moins un élément choisi dans le groupe constitué de Pt, Rh et Pd, qui a diffusé dedans, et une partie interne qui est une zone de diffusion entre la
partie externe et le substrat et qui comprend de l'élément choisi ayant dif-
fusé, un aluminure du substrat et des éléments ayant diffusé à partir du substrat, ledit revêtement ayant une épaisseur totale moyenne comprise
dans l'intervalle allant d'environ 0,001 pouce à environ 0,005 pouce.
7. Pièce selon la revendication 6, caractérisée en ce que le sub-
strat est un superalliage à base de nickel, l'élément choisi est le platine, et la partie externe du revêtement est une partie externe à une seule phase, qui comprend de l'aluminure de nickel dont la teneur en aluminium est d'au
moins environ 20% en poids, et environ 17 à environ 25% en poids de pla-
tine qui a diffusé dans l'aluminure de nickel.
8. Pièce selon la revendication 6, caractérisée en ce que le sub-
strat est un superalliage à base de nickel, et la partie externe du revêtement est une partie externe à deux phases, qui comprend: a) une première phase constituée d'un aluminure d'au moins un élément choisi dans le groupe constitué de Pt, Rh et Pd, dont la teneur en il élément choisi est d'au moins environ 40% en poids, entremêlée de b) une seconde phase constituée d'aluminure de nickel, dont la
teneur en aluminium est d'au moins environ 20% en poids.
9. Pièce selon la revendication 8, caractérisée en ce que l'élé-
ment choisi est le platine et l'aluminure est de l'aluminure de platine.
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