FR2756887A1 - Tribosysteme et procede pour sa fabrication - Google Patents
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Abstract
Le Tribosystème comporte un premier et un deuxième composant, mis en contact de frottement sec entre eux, chacun par l'intermédiaire d'une couche superficielle. La couche superficielle (8) du premier composant (3) est constituée d'un matériau qui est à base d'oxydes ou d'oxydes mélangés, dans une structure cristalline monoclinaire, triclinaire ou tétragonale constituée d'octaèdres de MeO6 avec les défauts oxygène plans. Application à des systèmes frottants dans l'industrie aéronautique ou spatiale, exposés à des températures allant jusqu'à 2 000 deg.C.
Description
TRIBQYSTEME ET PROCEDE POUR SA FABRICATION
L'invention concerne un tribosystème avec un premier et un deuxième composants, ces composants mis en contact de frottement sec ensemble, chacun par l'intermédiaire d'une couche de surface, et concerne un procédé de fabrication
d'un tel tribosystème.
L'invention concerne en particulier la réalisation au niveau du matériau des tribosystèmes (systèmes frottants), qui fonctionnent dans l'industrie aéronautique ou spatiale, sans intervention de lubrifiants liquides ni de graisses de lubrification, et qui sont exposés à des températures allant jusqu'à 2000 C pour les composants, tels que, par exemple, pour des lanceurs réutilisables, des missiles et des avions hypersoniques, des véhicules aéronautiques destinés à la rentrée dans l'atmosphère et dans des composants devenant chauds, ou bien des composants prévus dans la partie chaude des groupes de propulsion tels que, par exemple, des propulseurs de vol. Tous les lubrifiants liquides connus sont thermiquement instables vis-à-vis de l'air lorsqu'on dépasse une température de stockage durable en carter de 200 C et lors de brèves pointes de température dépassant 350 C et, au-dessus de 400 C, ils passent en phase vapeur, si bien que, de ce fait, il sont à peine utilisables, en tout cas comme lubrification pour une seule fois, le matériau étant perdu, ces lubrifiants cependant
devant être évités pour des raisons toxicoécologiques.
Il est de plus en plus recherché d'alimenter de tels points de frottement en lubrifiants, par l'intermédiaire d'un milieu environnant se présentant sous forme gazeuse, ces lubrifiants constituant ensuite, avec le contact de frottement, par la décomposition et la réaction avec les surfaces o se produit le frottement, des combinaisons ayant un effet lubrifiant sur ces surfaces. Des substances ajoutées au gaz, telles que, par exemple, du tricrésylphosphate, du phtalocyanine ou de l'arylphosphate, demandent cependant, d'une part, un autre agent de fonctionnement faisant appel à une technique de régulation et de commande et, d'autre part, sont également toxicoécologiquement nocives dans le domaine des substances connues jusqu'ici. Dans le passé, pour des applications à haute température dans des tribosystèmes, la température étant supérieure à 400 C, il s'est avéré qu'il n'y avait pas manqué d'essai, par exemple en introduisant des lubrifiants solides dans des couches et des matrices de matériau, ou par revêtement direct avec des lubrifiants solides, pour
obtenir une aptitude fonctionnelle tribologique durable.
Ces essais se sont cependant, dans leur mise en oeuvre pratique, avérés comme ne pas avoir été couronnés de succès, parce que tous les lubrifiants solides, intrinsèques connus perdent leurs bonnes propriétés tribologiques lorsque la température ambiante augmente
et/ou lorsque la pression partielle de l'oxygène augmente.
En outre, les lubrifiants solides, qui sont intégrés dans des matrices de matériau, affaiblissent notamment leurs
propriétés mécaniques et leur aptitude au revêtement.
Dans l'industrie aérienne et spatiale, il est de ce fait usuel pour les tribosystèmes, qui, par la conductibilité thermique, du fait de la chaleur venant du frottement ou du processus, sont sollicités aux points de frottement avec des températures de composants de 700 C à 2000 C et, de ce fait, travaillent principalement à sec, soit de les rejeter comme étant irréalisables, soit de les placer dans des zones plus froides avec des dissipateurs thermiques mis en circuit en amont de maniere
correspondante et avec une isolation thermique appropriée.
Cette dernière pratique mène à des réalisations au niveau de la construction qui sont volumineuses et qui, ainsi, demandent beaucoup de place et sont également lourdes et
permettent de faire peu d'économie en matière de poids.
Malgré cela, de telles formes de réalisation, le plus souvent n'étant prévues que pour une seule utilisation pour une mission de vol, sont réutilisables et sont entretenues
et remises en état après chaque utilisation.
Le comportement tribologique, que l'on a en fonctionnement a sec sur les matériaux utilisés aujourd'hui principalement pour le mode de réalisation au niveau du matériau des tribosystèmes, a comme effet de limiter la durée de vie des produits et des systèmes ainsi équipés, parce que les valeurs, respectivement, les coefficients d'usure des accouplements de matériau, sont trop élevées, avec des valeurs 105 mm3/Nm. Du fait de cela, il faut prendre certaines dispositions concernant la construction, qui admettent de grandes longueurs d'usure et de grandes allocations de tolérance afin que les points de frottement "ne bloquent pas par adhésion", c'est-à-dire ne se soudent pas ("ne se bloquent pas par grippage"). De telles dispositions envisagées contre le "blocage adhésif" augmentent toujours le coefficient d'usure lorsque la température augmente ou, en d'autres termes, augmentent l'usure et ne permettent d'avoir que de courtes durées de vie. D'autres critères de coincement, déterminant la durée de vie de ces produits, sont la dégradation du matériau, en particulier sous l'effet de l'oxydation, des conversions de
phase et du fluage.
Par exemple, pour les points de frottement travaillant à environ 500 C de la navette de l'espace "HERMES", des matériaux de palier constitués de Cr3C2-CaF2 ont été proposés qui présentent à 700 C des coefficients d'usure supérieurs à 5 x 10-5 mm3/Nm. CaF-, à titre de lubrifiant solide intrinsèque, s'amollit à environ 1000"C et s'exclut du fait du coefficient d'usure, pour une application sur un
matériau de palier allant jusqu'à 2000"C.
L'invention a comme but d'améliorer encore un tribosystème ayant un premier et un deuxième composant, qui sont mis en contact de frottement sec ensemble par l'intermédiaire d'une couche de surface, de manière à ce qu'il puisse fonctionner de façon sûre également à des températures élevées, telles que s'en rencontrent dans les
groupes de propulsion, par exemple, sans subir de problème.
Ce but est atteint, selon l'invention, par un tribosystème du type cité au début, par le fait que la couche superficielle du premier composant est constituée d'un matériau qui est à base d'oxydes ou d'oxydes mélangés, dans une structure cristalline monoclinaire, triclinaire ou tétragonale constituée d'octaèdres de (métal)O6 avec des
défauts oxygène plans.
Grâce à l'invention, on obtient une lubrification à haute température, par le fait qu'au moins une surface desdits tribosystèmes fermés, travaillant sans agent de lubrification liquide et/ou sans graisse de lubrification, est pourvue, à titre de contact de glissement ou de roulement, d'un revêtement d'un nouveau type qui est en mesure, structurellement, du fait des conditions préliminaires et des propriétés touchant son matériau, de constituer sur ses surfaces libres propres, par une oxydation statique et/ou par l'oxydation favorisée pendant la sollicitation tribologique (ceux que l'on appelle la "tribo-oxvdation"), des substances diminuant l'usure ou
protégeant de l'usure.
Selon l'invention, il a été trouvé que les substances diminuant l'usure, indiquées, présentent une résistance au cisaillement faible avec des contraintes de cisaillement inférieures à 100 MPa et sont de ce fait en mesure, lors d'un fonctionnement à sec de supporter la transmission d'efforts par le frottement qui se fait entre les surfaces se déplaçant relativement l'une par rapport à l'autre, par le cisaillement à l'intérieur des couches réalisées par celle-ci, ce qui, autrement, s'effectue usuellement pour des points de frottement lubrifiés par un liquide dans le film lubrifiant liquide. Le mécanisme du "cisaillement tribologique" de ces substances constitue ainsi quasiment une fonction de substitution qui est apte à travailler jusqu'à des températures de 2000 C, à la place du cisaillement que l'on a dans un film liquide. On a ainsi résolu pour la première fois un problème classique des hautes températures, en particulier dans le domaine des transports aériens et spatiaux, par une application mettant
en oeuvre le matériau, in situ et de manière simple.
Selon l'invention, donc, on utilise à dessein des matériaux qui constituent sur leurs surfaces des couches de réaction souples, qui sont la plupart du temps au moins stables dans des atmosphères oxydantes et/ou dans le vide, si bien que la sollicitation tribologique en cisaillement, en fonctionnement à sec, est déplacé du matériau de base dans les zones proches des surfaces, vers les oxydes ou les oxydes mixtes, dans la structure cristalline monoclinaire, triclinaire ou tétragonale constituée d'octaèdres de MeO6 ayant des défauts oxygène plans, là o un cisaillement s'effectue tout comme dans un film lubrifiant liquide. On considère comme couches de réaction souples, des substances ayant une dureté Vickers à température ambiante inférieure
à 8 GPa.
Dans le cas des oxydes ou des oxydes mixtes selon l'invention, dans une structure cristalline monoclinaire, triclinaire ou tétragonale constituée d'octaèdres de MeO6 avec des défauts oxygène plans, i] s'agit de phases pouvant être décrites de façon exacte structurellement avec une disposition cristallographique définie des atomes d'oxyde sousstoechiométrique déterminé. On peut citer des oxydes de titane et de vanadium, par exemple selon la formule (métal)nO2rl, avec n 4, et des oxydes de tungstène et de molybdène, par exemple selon la formule (métal)nO3n-1, avec n 6. Ces oxydes métalliques, qui sont structurés cristallographiquement à partir d'octaèdres de (métal)O6, constituent, à titre de propriété caractéristique à base de ce que l'on appelle des défauts oxygène plans, des plans de cisaillement qui sont orientés cristallographiquement et sur lesquels, déjà, se produit un glissement de réseau pour des contraintes de cisaillement
faibles, à partir d'environ 10 MPa.
Comme couches de réaction ou oxydes souples de la couche superficielle selon l'invention, on considère par exemple des substances ayant une dureté Vickers à la température ambiante inférieure à 8 GPa. Déjà, à 1000 C, la dureté de ces oxydes descend à des valeurs inférieures à 2 Gpa, et jusqu'à 1600 C, la tendance descend encore, ce qui favorise le mécanisme de cisaillement par le fluage plastique, ce sur quoi nous allons entrer en détail de
façon spéciale, encore, ci-après.
L'avantage le plus évident de ces oxydes souples par rapport aux solutions antérieures d'après l'état de la technique est qu'ils sont chimiquement stables à l'air, afin que leurs bonnes propriétés également ne soient pas perdues lorsque la température augmente et que leur formation soit même favorisée par les conditions de fonctionnement des tribosystèmes considérés, par exemple dans un appareil volant appartenant à l'industrie aéronautique et spatiale, c'est- à-dire à des températures élevées allant jusqu'à 2000 C et, en partie, des atmosphères ambiantes dans lesquelles la pression partielle de l'oxygène est diminuée. L'invention est en outre également avantageuse parce que le placement du point de frottement dans des zones plus froides disparaît et les points de frottement peuvent fonctionner comme des "points de frottement chauds" dans une plage de températures large, ce qui mène à un avantage de poids et à un gain de volume de construction et agit avantageusement, en particulier dans le domaine des transports aériens et spatiaux. Les coefficients d'usure de matériaux qui constituent les structures utilisées selon l'invention sont, à une température supérieure de 700 C, inférieurs à 105 mm3/Nm et permettent la réalisation au niveau du matériau de
tribosvstèmes fermés à faible usure.
Outre les mécanismes de glissement des cristaux, s'est avéré avantageux, de façon surprenante du point de vue de la protection contre l'usure, également pour les applications citées, le mécanisme du fluage plastique, ce sur quoi nous avons déjà fait mention ci-dessus, en particulier lorsque la contrainte de cisaillement de la couche de réaction souple est inférieure à 100 Mpa. Le fluage plastique se produit, en particulier à des températures supérieures à 1000 C. Comme matériau de substrat, sur la surface duquel par une oxydation statique et/ou une tribo-oxydation est constitué un oxyde souple ayant une contrainte de cisaillement faible, on envisage de
préférence SiC sur lequel se forme SiOx, avec 1 x 2.
L'invention a en outre l'avantage que le revêtement d'un nouveau type, outre un effet diminuant l'usure, a également un effet de réduction du frottement, ce qui joue
en faveur du fonctionnement du tribosystème.
Il s'est avéré comme étant encore avantageux que les conditions de fonctionnement dans les tribosystèmes chauds aux hautes températures et aux faibles pressions partielles d'oxygène favorisaient la stabilité de la couche
superficielle selon l'invention.
Grâce à l'invention, pour la première fois, on a identifié des conditions cristallographiques déterminées des oxydes ou des oxydes mixtes utilisés dans la couche superficielle comme convenant pour résoudre les problèmes de frottement et d'usure dans des tribosystèmes chauds,
tels que, par exemple, une "articulation chaude".
Sans limitation, par exemple le premier composant cité peut être construit à partir de matériau ayant une couche de surface constituée selon l'invention, ou bien constituée de substances citées. Selon des modes de réalisation préférés, le premier et/ou le deuxième composant sont
cependant au moins constitués essentiellement de C/SiC.
Des materiaux préférés qui sont contenus individuellement ou bien en combinaison au moins dans la couche superficielle du premier composant, ou bien qui constituent essentiellement cette couche de surface sont TiO2-x, Ti5O9, Gamma-Ti305, Ti9017, Ti10O19, M08023, V305 supérieur, W03, W20058, [3-NiMoO4, Tin-2Cr202n-1, V0,985A10,01502, des bronzes d'oxyde de tungstène tétragonaux et/ou des bronzes d'oxyde de vanadium
tétragonaux (MxV205).
Dans le cas général, on applique des couches de surface selon l'invention, en particulier du premier composant, avec des oxydes ou des oxydes mixtes dans une structure cristalline monoclinaire, triclinaire ou tétragonale constituée d'octaèdres de MeO6 avec des défauts oxygène plans, par exemple par pulvérisation chimique, un
procédé de type CVD ou PVD.
Il est cependant également possible que les surfaces déterminant le tribosystème soient réalisées selon le mécanisme de ce que l'on appelle la tribo-oxydation lors du fonctionnement directement sur les composants qui, par exemple, sont complètement constitués de substances ou de mélanges avantageux du point de vue tribologique, oxydique, nitridique, carbidique ou bien de ce groupe de matériaux, de référence sous la forme d'une céramique technique avec d'autres oxydes ou non oxydes. Selon l'invention, des couches de surface peuvent ainsi se constituer pendant la sollicitation tribologique, par réaction avec l'atmosphère
ambiante, telle que par exemple dans le cas du SiC.
On peut avantageusement en outre prévoir que la couche de surface du premier composant soit une couche de
protection contre l'usure.
Selon un autre perfectionnement avantageux de l'invention, on peut utiliser comme matériaux ou revêtements, pour obtenir une présentation à revêtements ou une infiltration des composants concernes, en plus également, des lubrifiants solides extrinsèques ou des mélanges. On peut envisager comme matériaux de substrat, sur la surface desquels part une oxydation statistique et/ou une tribo-oxydation on peut constituer des oxydes mixtes dans une structure cristalline monoclinaire, triclinaire, ou tétragonale constituée d'octaèdres de MeO6 ayant des défauts oxygène-plan, à titre de couches de réaction souples, par exemple HfC, TiC, TiN, Ti (C,N), (Ti, Mo)(C,N), SiC, WC, Cr2O3, en particulier sous forme de films passifs, minces. Ces substrats sont en plus avantageux parce qu'ils sont relativement durs, du fait que leur dureté Vickers à la température ambiante est supérieure à 10 ou 15 GPa. Avoir une grande dureté demande d'avoir une petite microsurface de contact (surface de contact vraie) du partenaire de frottement, avec pour conséquence que lors du frottement la force de cisaillement est particulièrement faible en liaison avec la faible valeur de la contrainte de cisaillement. Ainsi, l'effet tribologique de la couche de surface selon l'invention du premier composant avec des oxydes ou des oxydes mixtes, dans une structure monoclinaire, triclinaire ou tétragonale constituée d'octaèdres MeO6 ayant des défauts oxygène-plan, est encore augmentée. On peut constituer dans les conditions de fonctionnement visees, dans le tribosystème chaud, par exemple les structures utilisées selon l'invention, de préférence déjà par l'oxydation statique du matériau dur du substrat, ou bien au plus tard par une oxydation imputable au frottement, avec l'atmosphère ambiante contenant de l'oxygène. Les matériaux de substrat cités ici peuvent en principe également déterminer la couche de surface du
deuxième composant ou bien y être contenus.
De préférence, la couche de surface du deuxième composant est basé sur du SiC ou du HfC. Ceci est avantageux, parce qu'on a sur les composants correspondants fréquemment, par exemple une couche en SiC faisant office de couche de protection contre l'oxydation. Avec le même avantage, il peut être prévu qu'entre la couche de surface du premier composant et le premier composant soit disposee une couche intermédiaire qui est de préférence basée sur du
SiC ou HfC.
Un tribosystème fermé est toujours constitué de deux corps solides qui entrent en contact par leurs surfaces en des points de contact déterminés, ce pourquoi on parle d'une paire tribologique des matériaux. Les matériaux réalisés à titre de substrat et de couche de réaction sont en dernier lieu des matériaux céramiques qui peuvent fritter sans pression à des températures supérieures à 1100 C. Du fait que les deux surfaces des partenaires de frottement entrent en contact, aux températures de fonctionnement au-dessus de 1100 C (si l'on introduit dans le calcul l'augmentation de température imputable au frottement, on peut déjà partir d'environ 800 C), il faut prendre en compte un soudage, respectivement une fusion avec frittage. Ceci peut être empêché par utilisation de l'invention lorsque les matériaux de la tribo-paire ne sont pas solubles l'un dans l'autre métallurgiquement et/ou si les températures de frittage sont situées au-dessus de la
température de fonctionnement.
La couche de surface du premier composant peut également contenir des charges, telles que TiO2 et/ou d'autres oxydes vis-à-vis des oxydes ou des oxydes mixtes contenus dans la structure cristalline monoclinaire, triclinaire, ou tétragonale constituée d'octaèdres de MeO6 ayant des défauts oxygène plans. De préférence, ces autres oxydes peuvent contenir des oxydes de titane, vanadium, tungstène et/ou molybdène, tels que, par exemple, TiO2_x, Ti5Og, Gamma-Ti3O5, Ti9017, Ti0loOlg, Mo8023, V305 supérieur, W03, W20058, [- NiMoO4, Tin-2Cr2O2n-1, V0,985AI0,01502, des bronzes d'oxyde de tungstène tétragonaux et/ou des bronzes d'oxyde de vanadium tétragonaux, qui, cependant, se distinguent, en particulier dans leur phase ou leur structure, des oxydes ou oxydes mixtes selon l'invention, contenus obligatoirement dans la couche de surface du premier composant, ou constituant cette couche de surface, éventuellement présentant ma même composition, dans une structure cristalline monoclinaire, triclinaire ou tétragonale constituée
d'octaèdres MeO6 ayant des défauts oxygène plans.
Un autre perfectionnement avantageux de l'invention réside dans le fait que les oxydes ou les oxydes mixtes présentent dans la structure cristalline monoclinaire, triclinaire ou tétragonale constituée d'octaèdres MeO6 avec des défauts oxygène plans de la couche de surface du
premier composant une structure plane pour le cisaillement.
En outre, de préférence des additifs visant à améliorer l'adhésion peuvent être contenus dans les couches de surface du premier composant et/ou la couche de surface
du deuxième composant.
La couche de surface du premier composant présente
avantageusement une épaisseur d'au moins 1 Vm.
Selon un autre mode de réalisation avantageux de l'invention les oxydes ou les oxydes mixtes se trouvant dans la structure cristalline monoclinaire, triclinaire ou tétragonale constituée d'octaèdres MeO6 avec des défauts oxygène plans de la couche superficielle du premier composant sont stables jusqu'a une température supérieure à 400 C, en particulier jusqu'à plus de 800 C, de préférence jusqu'à plus de 1200 C et, de manière particulièrement préférée, jusqu'à plus de 1600 C et/ou restent à l'état solide dans les plages de températures citées. La plage de stabilité thermique de la structure de la couche de surface selon l'invention va d'environ -100 C
à environ 1600"C et même plus pour quelques matériaux.
L'invention comprend également un procédé de fabrication de tribosystèmes, c'est pourquoi ci-dessus déjà on a indiqué quelques étapes et quelques points de vue concernant le procédé. Par conséquent, par exemple, il est prévu avantageusement que la couche superficielle du premier composant soit appliquée par un procédé CVD, PVD ou bien par projection thermique sur Je premier composant, ou, le cas échéant, sur une couche intermédiaire. En outre, en variante à cela ou en combinaison avec cela, le premier et/ou le deuxième composant peut être fabriqué au moyen d'un procédé CVI à gradient. Uln autre mode de réalisation avantageux du procédé résulte du fait que la couche superficielle du deuxième composant est préoxydée avant son
application dans le tribosystème.
L'invention est explicitée plus en détail ci-après à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans le dessin et pris comme exemples. Dans le dessin: la figure 1 représente une vue en coupe des principes d'un palier équipé d'un tribosystème; la figure 2 représente une illustration en coupe schématique à plus grande échelle d'un premier mode de réalisation d'un tribosystème selon l'invention, ayant deux composants mis en contact de frottement; la figure 3 est une représentation en coupe à plus grande échelle schématique d'un deuxième mode de réalisation d'un tribo- système selon l'invention, ayant deux composants mis en contact de frottement, la figure 4 est une représentation en coupe schématique à plus grande échelle, d'un troisième mode de réalisation d'un tribosystème selon l'invention, ayant deux composants mis en contact de frottement, la figure 5 est une représentation en coupe à plus grande échelle schématique d'un quatrième mode de réalisation d'un tribosystème selon l'invention, ayant deux composants mis en contact de frottement, et la figure 6 est une représentation en coupe schématique à plus grande échelle d'un cinquième mode de réalisation d'un tribosystème selon l'invention, équipé de
deux composants mis en contact de frottement.
Le palier 1 représenté sur la figure 1 présente une liaison articulée et contient une cage de palier 2 qui est réalisée à la façon d'une fermeture à bâillonnette, pour permettre le montage d'un coussinet de palier 3 divisé en deux, le coussinet de palier 3 étant constitué de
demi-coussinets de palier 3a et 3b à forme correspondante.
Le coussinet de palier 3 réalisé en deux parties permet un montage sur un arbre 4 avec une surface de palier 5 à courbure sphérique, qui permet de supporter des charges radiales et axiales. Des dispositifs d'introduction de
force 6 sont reliés rigidement à la cage de palier 2.
L'ensemble des parties et des éléments précités du palier 1 sont fabriqués, dans le cas de l'exemple de réalisation représenté, par un procédé CVI à gradients à partir d'un
matériau de type C/S/C.
Le coussinet de palier 3 et le tronçon contenant la surface de palier 5 à incurvation sphérique de l'arbre de palier 4 constituent un tribosystème 7. Sur les figures 2 à 6, sont représentés des vues en coupe schématiques à plus grande échelle, dans différentes formes de réalisation du coussinet de palier 3 et de l'arbre de palier 4, l'illustration étant faite dans une zone dans laquelle les surfaces de ces composants sont placées ensemble en contact de frottement sec, c'est-à-dire qu'il n'y a aucune lubrification. Ainsi qu'on le voit sur les figures 2 à 6, le coussinet de palier 3, respectivement chacun des demi-paliers 3a et 3b, disposent à titre de premier composant du tribo-système d'une couche superficielle 8 qui contient des oxydes ou des oxydes mixtes dans une structure monoclinaire, triclinaire ou tétragonale constituée d'octaèdres MeO6 ayant des défauts oxygène-plan, à titre de couches de protection contre l'usure pour le matériau du
substrat du coussinet de palier 3.
La couche de surface 8 du premier composant constituant le coussinet de palier 3 du tribosystème contient dans le cas représenté des oxydes dans une structure cristalline triclinaire constituée d'octaèdres MeO6 avec des défauts oxygène-plan, tels que par exemple TiO2-x, Ti509, Gamma-Ti3-05, Ti90gO17 ou Ti10019. Mais d'autres oxydes mixtes tels que par exemple Mo8023, V305 supérieur, W03, W20058, M-NiMoO4, Tin-2Cr202n-1,Vo,985 ALo0,0502, des bronzes d'oxyde de tungstène tétragonaux et/ou des bronzes d'oxyde de vanadium tétragonaux (MxV205) conviennent et peuvent être contenus dans la couche
superficielle 8.
Dans les formes de réalisation représentées sur les figures 3 à 4 du tribosystème, l'arbre de palier 4 qui constitue le deuxième composant du tribosystème dispose également d'une couche superficielle 9 qui est à base de SiC. A titre d'autre matériau, respectivment de matériau supplémentaire pour cette couche superficielle 9, on peut
également envisager par exemple HfC.
Ainsi qu'on peut le voir sur la figure 4, dans la forme de réalisation représentée dans ce document, du tribosystème entre la couche superficielle 8 du premier composant 3 et ce dernier est même disposée une couche intermédiaire 10 qui, tout comme la couche superficielle 9 du deuxième composant 4, est à base de SiC. Ici, également d'autres matériaux conviennent également, seul est cité à
titre d'exemple HfC.
On utilise à titre de SiC dans le mode de réalisation traité ci-dessus une couche appliquée par "Cemical Vapor Deposition" pour assurer la protection face à l'oxydation du matériau de structure CVI/C-SiC. Cette couche SiC constitue déjà pour le deuxième composant 4 simultanément la couche de frottement et pour le premier composant 3 la
surface de substrat pour le triborevêtement de sa surface.
Convient particulièrement bien comme substrat pour ces tribocouches SiC ou HfC, parce que la grande dureté mène à une petite "surface de contact vraie" (surface de microcontact), d'o résulte une force de cisaillement ou une force de frottement qui n'est seulement que de faible valeur. La dureté de SiC à 1600 C est toujours située à
environ 5-6 GPa.
Il a été trouvé que la tribo-oxydation, par exemple pour SiC, peut servir de mécanisme de lubrification et de protection face à l'usure, agissant à température ambiante dans de l'air sec déjà à partir d'une pression partielle d'oxygène de 50 Pa et favorisée par l'augmentation de la température ambiante. Pour cela on suppose que SiC, par exemple à 1600 Cse détruit partiellement, sur la surface du composant, en donnant du silicium et du graphite. Pour l'application dans une "articulation chaude" ou bien en général un tribosystème, ceci signifie qu'ainsi par exemple avec la tribo-oxydation et la formation éventuelle de graphite sur la surface du SiC, pour toutes les conditions de fonctionnement envisageable telles que les températures basses et élevées, ainsi que des pressions partielles d'oxygène faibles et une atmosphère normale, on peut disposer de mécanismes de lubrification et de protection à l'usure efficaces et agissant bien. Si le SiC est préoxydé au point de frottement avant le montage, c'est-à-dire dans le cas d'une partie d'un mécanisme de transmission, il faut s'attendre à ce que la réserve de stockage de la couche de réaction souple suffise tribologiquement pour une mission, en commençant dans un
vide poussé.
Une autre possibilité de configuration, représentée sur la figure 5 pour le tribosystème consiste en ce que la couche de surface 8 du premier composant 3 contienne des charges 11 tel que du TiO9 et/ou une structure cristalline monoclinaire, triclinaire ou tétragonale, constituée d'octaèdres de MeO6 avec des défauts oxygène-plan, d'autres oxydes par rapport aux oxydes ou au oxydes mixtes. De tels oxydes peuvent, par exemple, être des oxydes de titane, vanadium, tungstène et/ou molybdène. En particulier, conviennent ici les matériaux qui, de toute façon, sont utilisés dans cette couche, tels que Ti-O2-x, Ti509, Gamma-Ti3-05, Ti90gO17 ou Ti10019, Mo8O23, V305 supérieur, W03, W20058, B-NiMoO4, Tin_2CrO2n_1, Vo, 985A10,l01502, des bronzes d'oxyde de tungstène tétragonaux et/ou des bronzes d'oxyde de vanadium tétragonaux (MxV205) ou des combinaisons quelconques de ces matériaux. Pour améliorer l'adhérence, les couches de surface 8 et 9 des deux composants 3 et 4 de la variante représentée sur la figure 6 du tribosystème contiennent des additifs 12. Il est également possible, en particulier en fonction de l'utilisation visée du tribosystème et des conditions afférentes ainsi que des matériaux utilisés et des combinaisons de matériaux utilisés, de n'utiliser que dans l'une des deux couches de surface 8 ou 9 des additifs
appropriés ou chaque fois des additifs différents.
Les couches de surface 8 et 9 des deux composants 3, 4 contiennent des matériaux qui métallurgiquement sont au moins pratiquement insolubles les uns dans les autres. En variante, il est possible que chacune des couches de surface ou bien les deux soient constituées en totalité de tels matériaux. Ces matériaux sont choisis de manière que leur température de frittage soit située au moins sensiblement au- dessus d'une température de fonctionnement
maximale du palier 1.
Du point de vue de la technique de fabrication la couche de surface 8 du premier composant 3 est appliquée par une pulvérisation CVD, PVD ou thermique sur le premier composant 3 ou le cas échéant sur la couche intermédiaire 10. La couche de surface 8 a une épaisseur de 1.m ou plus. Les oxydes ou les microoxydes que l'on dans la structure cristalline, monoclinaire, triclinaire ou tétragonale, constituée d'octaèdres de MeO6 avec des défauts oxygène-plan, de la couche superficielle des
surfaces 8 présente une structure à plan de cisaillement.
La contrainte de cisaillement de la couche de surface 8 du premier composant 3 est inférieure à 100 MPa dans les
formes de réalisation représentées sur les figures 2 à 6.
En cas d'utilisation de matériaux appropriés, les oxydes et les oxydes mixtes de la couche de surface 8 des demi-paliers 3 à 3b sont stables jusqu'à plus de 1600 , tel
que par exemple jusqu'à 2000 C, et restent à l'état solide.
En fonction des conditions d'utilisation requises, cependant, on peut également constituer des couches de surface qui sont stables jusqu'à par exemple 400 C ou jusqu'à 800 C ou jusqu'à 1200 C et/ou restent à l'état solide. La couche de surface 9 du deuxième composant 4 peut cependant également être préoxydée avant le deuxième composant, c'est-à-dire l'arbre de palier 4, soit monté
dans le tribosystème.
En détail, d'autres constructions peuvent utiliser des oxydes ou des oxydes mixtes de la manière suivante: a) revêtement avec un oxyde ou un oxyde mixte dans des matériaux formant une structure cristalline monoclinaire, triclinaire ou tétragonale constituée d'octaèdres MeO6 avec des défauts oxygène plans: on utilise comme substrat sur le point de frottement un matériau résistant aux hautes températures, tel que, par exemple, du CVI-SiC renforcé par des fibres de carbone, qui est revêtu avec une couche de SiC à l'endroit du
frottement, pour assurer une protection contre l'oxydation.
Sur cette couche de SiC est appliquée une autre tribo- couche à l'endroit du frottement, ceci au moyen d'une pulvérisation thermique d'un procédé CVD ou PVD, couche constituée par exemple de TiC ou d'autres matériaux de substrats appropriés. Les couches de réaction agissant tribologiquement se constituent soit sous l'effet de la sollicitation tribologique à titre de réaction chimique sur la surface du matériau entre le matériau et le milieu environnant, soit par oxydation statique. Pour des paliers à glissement, seules les surfaces de frottement de la coquille intérieure de palier et celles du tourillon de palier sont revêtues, dans le cas d'une réalisation sous forme de paliers à roulement, par contre au moins (ou bien le cas échéant seulement) les pistes de roulement d'une bague intérieure et extérieure correspondante sont
revêtues.
b) Revêtement avec des matériaux constituant des oxydes souples: on utilise comme substrat un matériau résistant aux hautes températures, tel que par exemple du CVI-SiC renforcé par des fibres de carbone, qui est revêtu d'une couche de SiC pour assurer une protection contre l'oxydation au point de frottement. Sur cette couche de SiC se constitue la couche de réaction souple active tribologiquement, pour assurer la protection à l'usure, soit suite à la sollicitation tribologique sous forme de réaction chimique de la surface du matériau avec le milieu environnant, soit déjà par une oxydation statique. Il y a ainsi constitution de la couche de SiOx se constituant sur le SiC, qui, outre son effet comme couche de protection primaire contre l'oxydation, est également prête à servir de tribo- couche convenant pour une sollicitation aux températures élevées. Dans le cas d'un mode de réalisation sous forme de palier à glissement, seules les surfaces de frottement de la coquille intérieure de palier et/ou du
tourillon de palier sont revêtues.
c) Matériaux massifs Sur les points de frottement, on peut remplacer les
revêtements par des matériaux monolithiques du type décrit.
Pour un palier à glissement, on peut alors utiliser soit des coquilles ou des douilles de palier non-divisées ou divisées, qui sont réalisées dans les parties structurelles constituées des matériaux résistant aux hautes températures, que l'on a dans la zone du tribosystème. Dans le cas du mode de réalisation sous forme de palier à roulement, au moins les bagues intérieures et extérieures
sont réalisées à partir des matériaux du type décrit.
Claims (20)
1. Tribosystème avec un premier et un deuxième composant, mis en contact de frottement sec entre eux, chacun par l'intermédiaire d'une couche superficielle, caractérisé en ce que la couche superficielle (8) du premier composant (3) est constituée d'un matériau qui est à base d'oxydes ou d'oxydes mélangés, dans une structure cristalline monoclinaire, triclinaire ou tétragonale constituée d'octaèdres de MeO6 avec des défauts oxygène plans.
2. Tribosystème selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau de la couche superficielle (9) du
deuxième composant (4) est à base de SiC ou de HfC.
3. Tribosystème selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les oxydes ou les oxydes mélangés compris dans la structure cristalline monoclinaire, triclinaire ou tétragonale constituée d'octaèdres de MeO6 avec des défauts oxygène plans, de la couche superficielle (8) du premier composant (3), contiennent du TiO2-x, Ti5Og, Gamma-Ti3O5, Tig9017, Ti1oO19, Mo8023, V305 supérieur, W03, W20058, f3-NiMoO4, Tiri-2Cr2)02n-, VO,985A10,01502, des bronzes d'oxyde de tungstène tétragonaux et/ou des bronzes d'oxyde de vanadium
tétragonaux (MxV205).
4. Tribosystème selon l'une des revendications
précédentes, caractérise en ce que la contrainte de cisaillement de la couche superficielle (8) du premier
composant (3) est inférieure à 100 MPa.
5. Tribosystème selon l'une des revendications
précédentes, caractérisé en ce qu'entre la couche superficielle (8) du premier composant (3) et le premier composant, est disposée une couche intermédiaire (10) de
préférence à base de SiC ou de HfC.
6. Tribosystème selon l'une des revendications
précédentes, caractérisé en ce que le premier (3) et/ou le deuxième composant (4) est, respectivement, sont au moins
constitués essentiellement de C/SiC.
7. Tribosystème selon l'une des revendications
précédentes, caractérisé en ce que la couche superficielle (8) du premier composant (3) contient des charges (11) telles que du TiO2 et/ou d'autres oxydes que les oxydes ou les oxydes mixtes, en une structure cristalline monoclinaire, triclinaire ou tétragonale, constituée d'octaèdres de MeO6 avec des défauts oxygène plans.
8. Tribosystème selon la revendication 7, caractérisé en ce que les autres oxydes contiennent des oxydes de
titane, de vanadium, de tungstène et/ou de molybdène.
9. Tribosystème selon la revendication 8, caractérisé en ce que les autres oxydes contiennent du TiO2_x, Ti5O9, Gamma-Ti305, Ti9017, Ti10O19, Mo8023, V305 supérieur, W03, W20058, D-NiMoO4, Tin_2Cr202n_1, V0, 985A10,01502, des bronzes d'oxyde de tungstène tétragonaux et/ou des bronzes d'oxyde de vanadium tétragonaux (MxV205) ou une combinaison
de ceux-ci.
10. Tribosystème selon l'une des revendications
précédentes, caractérisé en ce que la couche superficielle (8) du premier composant (3) et/ou la couche superficielle (9) du deuxième composant (4) contient des
additifs (12) destinés à améliorer l'adhérence.
11. Tribosystème selon l'une des revendications
précédentes, caractérisé en ce que la couche superficielle (8) du premier composant (3) présente une
épaisseur d'au moins 1 vm.
12. Tribosystème selon l'une des revendications
précédentes, caractérisé en ce que la couche superficielle (8) du premier composant (3) est une couche
de protection contre l'usure.
13. Tribosystème selon l'une des revendications
précédentes, caractérisé en ce que les oxydes ou les oxydes mixtes se trouvant dans la structure cristalline monoclinaire, triclinaire ou tétragonale constituée d'octaèdres de MeO6 avec des défauts oxygène plans, de la couche superficielle (8) du premier composant (3), sont stables jusqu'à une température supérieure à 400 C, en particulier jusqu'à plus de 800'C, de préférence jusqu'à plus de 1200 C et, de manière particulièrement préférée,
jusqu'à plus de 1600 C.
14. Tribosystème selon l'une des revendications
précédentes, caractérisé en ce que les oxydes ou les oxydes mixtes se trouvant dans la structure cristalline monoclinaire, triclinaire ou tétragonale constituée d'octaèdres de MeO6 avec des défauts oxygène plans, du premier composant (3), restent à l'état solide jusqu'à une température supérieure à 400 C, en particulier jusqu'à plus de 800 C, de préférence jusqu'à plus de 1200'C et, de
manière particulièrement préférée, jusqu'à plus de 1600 C.
15. Tribosystème selon l'une des revendications
précédentes, caractérisé en ce que les oxydes ou les oxydes mixtes contenus dans la couche cristalline monoclinaire, triclinaire ou tétragonale constituée d'octaèdres de MeO6 avec des défauts oxygène plans de la couche superficielle (8), du premier composant (3), présentent une
structure à plan de cisaillement.
16. Tribosystème selon l'une des revendications
précédentes, caractérisé en ce que les couches superficielles (8, 9) du premier (3) et du deuxieme composant (4) contiennent des matériaux ou sont constituées de matériaux qui sont au moins pratiquement insolubles
métallurgiquement les uns dans les autres.
17. Tribosystème selon l'une des revendications
précédentes, caractérisé en ce que les couches superficielles (8, 9) du premier (3) et du deuxième composant (4) contiennent des matériaux ou sont constituées de matériaux dont les températures de frittage sont supérieures à une température de fonctionnement maximale prédéterminée.
18. Procédé de fabrication d'un tribosystème selon
l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que
la couche superficielle (8) du premier composant (3) est appliquée, par un procédé CVD, PVD, ou bien par projection thermique, sur le premier composant (3), ou, le cas échéant, sur une couche intermédiaire (10) appliquée à cet endroit.
19. Procédé de fabrication d'un tribosystème selon la revendication 18, caractérisé en ce que le premier (3) et/ou le deuxième composant (4) sont fabriqués par un
procédé CVI à gradient.
20. Procédé de fabrication d'un tribosystème selon la revendication 18 ou 19, caractérisé en ce que la couche superficielle (9) du deuxième composant (4) est pré-oxydée
avant son application dans le tribosystème (7).
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| DE19651094A1 (de) | 1998-06-10 |
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| US6017592A (en) | 2000-01-25 |
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