FR2892732A1

FR2892732A1 - Production of an erosion resistant coating of a nickel-chromium-iron-boron-silicon alloy on a metal component, notably for the leading edges of high speed aircraft and helicopters

Info

Publication number: FR2892732A1
Application number: FR8707757A
Authority: FR
Inventors: Niels Brundbjerg; Wolfgang Simm
Original assignee: Castolin SA
Current assignee: ECG Immobilier SA
Priority date: 1987-06-03
Filing date: 1987-06-03
Publication date: 2007-05-04

Abstract

Production of an erosion resistant coating on a metal component comprises: (a) the coating is applied by thermal spraying; (b) the coated component is raised, under vacuum, to 250 to 400[deg]C and held at temperature for 5 to 30 minutes; (c) the temperature is raised to 800 to 950[deg]C and held at temperature for 5 to 30 minutes; (d) the temperature is then raised to 900 to 1100[deg]C in a protective gas and under a pressure of 200 to 600 mm/Hg to provoke the liquid phase sintering of the coating above the melting temperature of the coating alloy; (e) the component is cooled to ambient temperature.

Description

1 PROCEDE POUR PRODUIRE, SUR UNE PIECE METALLIQUE, UN REVETEMENT RESISTANT1 PROCESS FOR PRODUCING, ON A METAL PIECE, A RESISTANT COATING

A L'EROSIONEROSION

La présente invention concerne un procédé pour produire un-revêtement résistant à l'érosion, sur une pièce métallique, selon lequel on applique, par pulvérisation thermique, sur une partie à recouvrir de la surface de la pièce, une couche ayant une épaisseur de 10 à 500 um, contenant au moins un alliage Ni-Cr-Fe-B-Si. The present invention relates to a method for producing an erosion-resistant coating on a metal part, wherein a layer having a thickness of 10 is applied by thermal spraying onto a part to be coated on the surface of the part. at 500 μm, containing at least one Ni-Cr-Fe-B-Si alloy.

Les revêtements produits par les procédés habituels de ce genre présentent une porosité relativement élevée ainsi que, pour certaines applications, une élasticité insuffisante et, par conséquent, une résistance insuffisante à l'égard des vibrations mécaniques. La porosité des revêtements réalisables jusqu'à maintenant constitue un inconvénient, en particulier pour les pièces qui sont exposées à un courant de gaz ou d'air contenant des particules telles que des particules de poussière, car l'usure par érosion peut être très élevée dans ces conditions. C'est ce que l'on observe par exemple aux bords d'attaque d'avions et d'hélicoptères volant à grande vitesse, en particulier lors des vols à proximité du sol. Des essais effectués en vue de rendre de telles pièces résistantes à l'usure, par exemple par utilisation de tôles d'acier inoxydable austénitique de 1,0 à 5 millimètres d'épaisseur, ainsi que par application subséquente d'un chromage dur, ont conduit, dans des cas d'application déterminés, à des dùrées de vie de l'ordre de 10 heures, seulement. Des revêtements protecteurs produits par pulvérisation thermique, n'ont également pas conduit à de meilleurs résultats, en raison des inconvénients susmentionnés. The coatings produced by the usual methods of this kind have a relatively high porosity as well as, for some applications, insufficient elasticity and, consequently, insufficient resistance to mechanical vibrations. The porosity of the coatings achievable up to now is a disadvantage, particularly for parts which are exposed to a stream of gas or air containing particles such as dust particles, since erosion wear can be very high. in these conditions. This is observed, for example, at the leading edges of planes and helicopters flying at high speed, particularly during flights close to the ground. Attempts to render such parts resistant to wear, for example by using austenitic stainless steel sheets 1.0 to 5 millimeters thick, as well as subsequent application of hard chromium plating, have leads, in specific cases of application, to living expenses of the order of 10 hours, only. Protective coatings produced by thermal spraying have also not led to better results because of the aforementioned disadvantages.

Le but de l'invention est de fournir un procédé permettant de produire des revêtements extrêmement peu poreux et, par conséquent, particulièrement résistants à l'érosion, tout en présentant une résistance élevée aux vibrations. The object of the invention is to provide a method for producing extremely low porosity coatings and, therefore, particularly resistant to erosion, while having a high resistance to vibration.

Ceci est obtenu, conformément à l'invention, grâce au fait que la pièce, avec le revêtement appliqué par pulvérisation, est portée, sous vide, à une température comprise entre 250 et 400 C, et maintenue à cette température pendant une durée de 5 à 30 minutes, que la température est ensuite portée à 800 à 950 C et maintenue à cette valeur pendant une durée de 5 à 30 minutes, que la température est ensuite augmentée, le traitement thermique, à partir d'une température comprise entre 900 et 1100 C n'étant plus poursuivi sous vide mais sous un gaz protecteur tel que l'azote, l'hélium et/ou l'argon, sous une pression de 200 à 600 mm Hg, la température étant portée, en vue de provoquer le frittage en phase liquide du revêtement , au-dessus de la température de fusion de l'alliage utilisé dans celui-ci et que, finalement, on laisse refroidir la pièce jusqu'à la température ambiante. This is achieved according to the invention by virtue of the fact that the part, with the coating applied by spraying, is carried under vacuum at a temperature of between 250 and 400.degree. C. and maintained at this temperature for a period of 5 minutes. at 30 minutes, that the temperature is then raised to 800 to 950 C and maintained at this value for a period of 5 to 30 minutes, that the temperature is then increased, the heat treatment, from a temperature between 900 and 1100 C not being continued under vacuum but under a protective gas such as nitrogen, helium and / or argon, at a pressure of 200 to 600 mmHg, the temperature being brought to cause the sintering in the liquid phase of the coating, above the melting temperature of the alloy used therein and that finally the part is allowed to cool to room temperature.

Avantageusement, le revêtement appliqué par pulvérisation présente une épaisseur comprise entre 20 et 360 um. Advantageously, the coating applied by spraying has a thickness of between 20 and 360 μm.

Avantageusement l'alliage Ni-Cr-Fe-B-Si présente la composition suivante, en pourcentage pondéral : 0,5 à 1,5 C ; 10,0 à 26,0 Cr ; 1,5 à 10,0 Fe ; 1,5 à 4,5 B ; 2,5 à 5,0 Si ; reste Ni. Advantageously, the Ni-Cr-Fe-B-Si alloy has the following composition, in weight percentage: 0.5 to 1.5 C; 10.0 to 26.0 Cr; 1.5 to 10.0 Fe; 1.5 to 4.5 B; 2.5 to 5.0 Si; remain Ni.

Avantageusement, le revêtement appliqué par pulvérisation contient de 10 à 70, de préférence de 15 à 60%, en poids, 25 de matériau dur dit "Hartstoff" ou "métal dur". Advantageously, the spray applied coating contains from 10 to 70, preferably from 15 to 60%, by weight of hard material called "Hartstoff" or "hard metal".

Avantageusement l'on utilise, comme matériau dur, des 'carbures ou des borures des éléments Cr, Ti, W, Ta, Mo et/ou Nb, et, plus particulièrement, du carbure de tungstène à 4 à 20% en poids de Co. Advantageously, carbides or borides of elements Cr, Ti, W, Ta, Mo and / or Nb are used as hard material, and more particularly tungsten carbide with 4 to 20% by weight of carbon. .

30 De préférence, la pression du gaz protecteur est comprise entre 300 et 600 millimètres Hg. Preferably, the pressure of the protective gas is between 300 and 600 millimeters Hg.

On va maintenant décrire et expliquer plus en détail le procédé selon l'invention, d'après des exemples. Exemple 1 : The method according to the invention will now be described and explained in more detail according to examples. Example 1

On a appliqué, par le procédé selon l'invention, un revêtement protecteur ayant une épaisseur de 500 m, sur la surface d'un volet d'aile en tôle d'acier austénitique 18/8 d'une épaisseur de 2,5 millimètres, en procédant de la manière suivante : A protective coating having a thickness of 500 m was applied to the surface of a wing flap made of austenitic 18/8 sheet steel with a thickness of 2.5 millimeters by the method according to the invention. , proceeding as follows:

a) Préparation :a) Preparation:

La surface à recouvrir a été rendue rugeuse par sablage au moyen de corindon d'une granulométrie de 0,5 à 1,0 millimètre, ce qui a permis d'obtenir une rugosité de surface de Ra 15 à 20 um. The surface to be coated was sandblasted with corundum 0.5-1.0 millimeters in size, resulting in a surface roughness of Ra at 20 μm.

b) Matériau de pulvérisation :b) Spraying material:

On a appliqué un mélange de 50% en poids d'alliage de matrice et 50% de "Hartstoff" ou "métal dur" WC/Co, l'alliage de matrice ayant la composition 0,5 à 1,0 C; 14,0 à 16,0 Cr; 2,0 à 4,0 Fe; 2,5 à 4,0 B; 3,0 à 5,0 Si; reste nickel et le matériau WC/Co consistant en 85 à 90% WC et 15 à 10 Co (indications en pourcentage pondéral). c) Conditions de projection : A mixture of 50% by weight of matrix alloy and 50% of "Hartstoff" or "hard metal" WC / Co was applied, the matrix alloy having the composition 0.5 to 1.0 C; 14.0 to 16.0 Cr; 2.0 to 4.0 Fe; 2.5 to 4.0 B; 3.0 to 5.0 Si; remaining nickel and the WC / Co material consisting of 85 to 90% WC and 15 to 10 Co (weight percent indications). c) Projection conditions:

On a utilisé un appareil de pulvérisation à la flamme autogène du type ROTOTEC 80 de la société CASTOLIN S.A., 'dans les conditions suivantes : pression d'oxygène 4,0 bars, pression d'acétylène 0,8 bar, réglage de la flamme neutre, distance de pulvérisation 160 à 200 millimètres, débit de poudre 5 kg/h. Le revêtement appliqué avait une épaisseur de 650 um. An autogenous flame spray apparatus of the ROTOTEC 80 type from CASTOLIN SA was used under the following conditions: oxygen pressure 4.0 bar, acetylene pressure 0.8 bar, neutral flame control spraying distance 160 to 200 millimeters, powder flow rate 5 kg / h. The applied coating had a thickness of 650 μm.

d) Procédé de frittage en phase liquide du revêtement : Le volet d'aile a été introduit, pour son traitement thermique, dans un four qui a été ensuite évacué sous une pression de 10-3 Torr. Après quoi, on a chauffé la pièce à une température de 250 à 350 C et on l'a maintenue pendant 15 à 30 minutes à ce niveau de température, en provoquant ainsi un dégazage de la couche superficielle appliquée par pulvérisation. Ensuite, la pièce a été portée à une température comprise entre 800 et 900 C et maintenue à cette température pendant une durée de 10 à 20 minutes, toujours sous 10-3 Torr. Il se produit ainsi un dégazage du bain d'alliage fondu produit. Ensuite, on a encore élevé la température et, à une température de 920 à 960 C, on a introduit un gaz protecteur, à savoir l'argon, en remplacement du vide et on a porté la pression d'argon à une valeur de 400 à 600 mm Hg. Après quoi, on a chauffé la pièce avec une puissance de chauffage double à une température de 1040 à 1050 C. On a ensuite laissé la pièce refroidir à environ 800 C et on a procédé à cette température à un échange de l'argon constituant le gaz protecteur par de l'azote, sous une pression de 600 mm Hg afin de faciliter la poursuite du refroidissement jusqu'à la température ambiante. d) Process of liquid phase sintering of the coating: The wing flap was introduced, for its heat treatment, into an oven which was then evacuated under a pressure of 10-3 Torr. Thereafter, the workpiece was heated to a temperature of 250 ° C to 350 ° C and held for 15 to 30 minutes at this temperature, thereby causing degassing of the applied surface layer by spraying. Then, the piece was brought to a temperature between 800 and 900 C and maintained at this temperature for a period of 10 to 20 minutes, still under 10-3 Torr. There is thus a degassing of the molten alloy bath produced. Then, the temperature was again raised and, at a temperature of 920 to 960 C, a protective gas, namely argon, was introduced in place of the vacuum and the argon pressure was raised to a value of 400. at 600 mm Hg. Thereafter, the workpiece was heated with a double heating power at a temperature of 1040 to 1050 C. The workpiece was then allowed to cool to about 800 ° C and this temperature was exchanged. the argon constituting the protective gas with nitrogen at a pressure of 600 mm Hg to facilitate the further cooling to room temperature.

L'épaisseur du revêtement obtenu après le frittage en phase liquide a atteint la valeur de 500 um. The thickness of the coating obtained after the sintering in the liquid phase reached the value of 500 μm.

25 Lors de l'utilisation de la pièce ainsi revêtue, on a constaté une durée de vie s'élevant à plus de huit fois celle de la pièce non revêtue. When using the thus-coated part, a lifetime amounting to more than eight times that of the uncoated part was found.

'Exemple 2 :Example 2

On a appliqué de la manière suivante un revêtement d'une 30 épaisseur de 300 um sur la surface d'une partie de bord d'aile en tôle d'acier 18/8 Mo ayant une épaisseur de 2,0 millimètres : A 300 μm thick coating on the surface of a 18/8 mm sheet steel wing edge portion having a thickness of 2.0 millimeters was applied as follows:

a) Préparation, comme dans l'exemple 1. 10 15 20 b) Matériau de pulvérisation : a) Preparation, as in Example 1. b) Spray material:

On a utilisé un mélange de 70% en poids d'alliage de matrice et 30% en poids de carbure, la matrice ayant la composition suivante : 0,8 à 1,2 C ; 24,0 à 25,0 Cr ; 0,5 à 2,5 Fe ; 3,2 à 4,2 B ; 3,5 à 5,0 Si ; reste Ni et les carbures étant constitués par un mélange de 15,0 à 20,0 TiC, 15,0 à 20,0 TaC, reste WC (indications en pourcentage pondéral). A mixture of 70% by weight of matrix alloy and 30% by weight of carbide was used, the matrix having the following composition: 0.8 to 1.2 C; 24.0 to 25.0 Cr; 0.5 to 2.5 Fe; 3.2 to 4.2 B; 3.5 to 5.0 Si; remaining Ni and the carbides being a mixture of 15.0 to 20.0 TiC, 15.0 to 20.0 TaC, WC remains (weight percent indications).

c) Paramètres de pulvérisation :c) Spray parameters:

Les paramètres de pulvérisation de l'exemple 1 ont été maintenus avec les modifications suivantes : distance de pulvérisation 160 à 180 mm, débit de poudre : 6,2 kg/h. The spray parameters of Example 1 were maintained with the following modifications: spray distance 160 to 180 mm, powder flow rate: 6.2 kg / h.

L'épaisseur de la couche après la pulvérisation a atteint 380 um. The thickness of the layer after spraying reached 380 μm.

15 d) Procédé de frittage en phase liquide du revêtement : D) Liquid phase sintering process of the coating:

Après avoir placé la pièce dans un four et établi par pompage, un vide de 10-3 Torr, on a d'abord porté la température à 300 à 350 C et maintenu de 15 à 30 minutes à cette valeur. On a ensuite élevé la température jusqu'à 20 900 C et maintenu à cette valeur pendant 15 à 20 minutes. En continuant à élever la température, on a employé, à une température de 940 à 980 C, de l'hélium comme gaz protecteur à la place du vide, la pression d'hélium s'élevant à 400 mm Hg. Ensuite, on a porté la température, 25 'en utilisant la puissance de chauffage double, à une température de 1050 à 1060 C et on a maintenu cette valeur extrême de température pendant 2 minutes. Ensuite, on a laissé refroidir la pièce jusqu'à 900 C, niveau auquel on a procédé à un échange de gaz en effectuant la suite du 30 refroidissement jusqu'à la température ambiante sous argon sous une pression de 600 mm Hg. 10 6 L'épaisseur du revêtement s'est élevée, après le frittage en phase liquide du revêtement, à 300 um. After placing the workpiece in a furnace and pumping out a vacuum of 10-3 Torr, the temperature was first raised to 300-350 ° C and held for 15-30 minutes at this value. The temperature was then raised to 20 900 C and maintained at this value for 15 to 20 minutes. By continuing to raise the temperature, helium was used as a protective gas instead of vacuum at a temperature of 940 to 980 C, the helium pressure being 400 mm Hg. Raised the temperature, 25 'using the double heating power, at a temperature of 1050 to 1060 C and this extreme temperature value was maintained for 2 minutes. Then, the workpiece was allowed to cool to 900 ° C, at which point gas was exchanged by cooling to room temperature under argon at a pressure of 600 mm Hg. 10 6 L After the liquid phase sintering of the coating, the coating thickness rose to 300 μm.

La durée de vie de la pièce obtenue en utilisation pratique s'est de nouveau révélée comme étant un multiple de celle 5 de la pièce non revêtue. Exemple 3 : The life of the part obtained in practical use again proved to be a multiple of that of the uncoated part. Example 3

Sur une pièce exposée, lors de son utilisation à des vents de vitesse élevée en preésence de fines particules de poussière, et dont le corps de base consistait en une tôle 10 d'acier inoxydable austénitique d'une épaisseur de 1,0 millimètre, on a appliqué de la manière suivante un revêtement de protection de 200 um d'épaisseur : On an exposed part, when used at high speed winds in the presence of fine dust particles, and whose base body consisted of a 1.0 mm thick austenitic stainless steel sheet, applied in the following manner a protective coating 200 μm thick:

a) Préparation, comme dans l'exemple 1 a) Preparation, as in Example 1

b) Matériau de pulvérisation :b) Spraying material:

15 On a utilisé un mélange de 62% en poids d'alliage de matrice et 38% en poids de CrB, l'alliage de matrice ayant la composition suivante : 0,8 à 1,0 C; 16,0 à 18,0 Cr; 5,0 à 8,0 Fe; 2,5 à 3,5 B; 3,0 à 4,0 Si; reste Ni (indications en pourcentage pondéral). A mixture of 62% by weight of matrix alloy and 38% by weight of CrB was used, the matrix alloy having the following composition: 0.8 to 1.0 C; 16.0 to 18.0 Cr; 5.0 to 8.0 Fe; 2.5 to 3.5 B; 3.0 to 4.0 Si; remainder Ni (indications in percentage by weight).

20 c) Paramètres de pulvérisation, comme dans l'exemple 2. d) Processus de frittage en phase liquide du revêtement : C) Sputtering parameters, as in Example 2. d) Liquid phase sintering process of the coating:

On a d'abord placé la pièce dans un dispositif de fixation, 'afin d'éviter toute déformation éventuelle et on l'a placée avec ce dispositif, à la température ambiante, dans un four 25 à vide. Après évacuation par pompage sous 10-3 Torr, on a procédé à un chauffage jusqu'à 250 à 300 C. On a maintenu cette température pendant 10 à 15 minutes et procédé ensuite lentement à une nouvelle élévation de température jusqu'à 900 C, afin de permettre une égalisation de la 30 température avec le dispositif de fixation. La température de 900 C a été maintenue pendant 10 à 15 minutes puis la température a été encore élevée jusqu'à 920 à 950 C. A cette température, on a introduit de l'argon en remplacement du vide, sous une pression de 300 à 400 mm Hg. The workpiece was first placed in a fixture to prevent any distortion and was placed with this device at room temperature in a vacuum oven. After evacuating under 10-3 Torr, heating was carried out to 250 to 300 C. This temperature was maintained for 10 to 15 minutes and then slowly proceeded to a new rise in temperature to 900 C, to allow equalization of the temperature with the fastener. The temperature of 900 ° C. was maintained for 10 to 15 minutes and then the temperature was raised again to 920 ° C. at 950 ° C. At this temperature, argon was introduced in place of the vacuum under a pressure of 300 ° C. 400 mm Hg.

Ensuite, on a effectué le chauffage avec une puissance de chauffage double, jusqu'à une température de 1030 à 1040 C. Finalement, on a laissé la pièce refroidir sous argon jusqu'à la température ambiante. Then, the heating with double heating power was carried out to a temperature of 1030 to 1040 C. Finally, the piece was allowed to cool under argon to room temperature.

Le revêtement de protection obtenu, d'une épaisseur de 200 um, s'est révélé extrêmement résistant à l'érosion et également résistant à l'égard de la variation de charge mécanique à laquelle il est soumis dans la pratique. The protective coating obtained, 200 μm thick, proved to be extremely resistant to erosion and also resistant to the mechanical load variation to which it is subjected in practice.

Exemple 4 :Example 4

On a muni une pièce similaire à celle de l'exemple 3, en tôle d'acier 18/8 de 1,5 millimètre d'épaisseur, d'un revêtement de 150 um. A cet effet, on a mis en oeuvre le procédé de façon analogue à celle qui est décrite dans l'exemple 3, mais en utilisant comme matériau de pulvérisation un alliage ayant la composition suivante . 0,5 à 0,9 C; 24, 0 à 26,0 Cr; 0,2 à 1,0 Fe; 3,5 à 4,0 B; 3,6 à 4,5 Si; reste Ni. A piece similar to that of Example 3, made of 1.5 mm thick 18/8 sheet steel, was provided with a coating of 150 μm. For this purpose, the process was carried out in a manner analogous to that described in Example 3, but using as the sputtering material an alloy having the following composition. 0.5 to 0.9 C; 24.0 to 26.0 Cr; 0.2 to 1.0 Fe; 3.5 to 4.0 B; 3.6 to 4.5 Si; remain Ni.

Avec ce matériau, on a également obtenu un revêtement protecteur pratiquement complètement exempt de pores, extrêmement résistant à l'usure ainsi que du point de vue mécanique. With this material, it has also been obtained a protective coating substantially completely free of pores, extremely resistant to wear as well as from the mechanical point of view.

'De ce qui précède, il ressort en particulier que, lors du traitement thermique selon l'invention, contrairement au procédé usuel, on procède à des temps de maintien à deux niveaux de températures différentes au cours du chauffage et que, en outre, dans le domaine de 900 à 1000 C, on introduit un gaz protecteur qui s'oppose à l'évaporation du bore. Les alliages de revêtement utilisés avaient une dureté supérieure à 50 HRc, de préférence supérieure à 55 5 HRc' A l'aide du procédé selon l'invention, on a obtenu des revêtements largement exempts de pores, ayant une très bonne résistance mécanique ce qui permet avant tout l'obtention d'une résistance à l'érosion très élevée avec une élasticité suffisante du revêtement. 8 From the foregoing, it is apparent in particular that, in the heat treatment according to the invention, in contrast to the usual method, holding times at two different temperature levels are carried out during heating and that, in addition, the range of 900 to 1000 C, a protective gas is introduced which opposes the evaporation of boron. The coating alloys used had a hardness greater than 50 HRc, preferably greater than 55 HRc. With the aid of the process according to the invention, substantially free pore coatings with very good mechanical strength were obtained. allows above all to obtain a very high resistance to erosion with sufficient elasticity of the coating. 8

Claims

A process for producing an erosion-resistant coating on a metal part, wherein a layer having a thickness of 10 to 500 μm is applied by thermal spraying to the part to be coated on the surface of the part. , containing at least one Ni-Cr-Fe-B-Si / alloy characterized in that the part, with the coating applied by spraying, is carried under vacuum at a temperature of between 250 and 400 ° C, and maintained at this temperature. temperature for a period of 5 to 30 minutes, in that the temperature is then raised to 800 to 950 C and maintained at this value for a period of 5 to 30 minutes, in that the temperature is then further increased, the heat treatment from a temperature of between 900 and 1100 C not being continued under vacuum but under a protective gas such as nitrogen, helium and / or argon at a pressure of 200 to 600 mm Hg, temperature being carried to cause the liquid-phase sintering of the coating, above the melting temperature of the alloy used therein, and finally that the workpiece is allowed to cool to room temperature. di

2. Method according to claim 1, characterized in that the coating applied by spraying has a thickness of between 20 and 360 μm. 25 se_3. A process according to claim 1 or claim 2 characterized in that said alloy has the following composition in weight percent. 0.5 to 1.5 C; 10.0 to 26.0 Cr; 1.5 to 10.0 Fe; 1.5 to 4.5 B; 2.5 to 5.0 Si; remain Ni. 4. Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the spray-applied coating contains from 10 to 70, preferably from 15 to 60%, by weight of hard material called "Hartstoff". containing at least one hard phase. 5. Process according to claim 4, characterized in that carbides or borides of elements Cr, Ti, W, Ta, Mo and / or Nb are used as hard material. 5'-6. Process according to Claim 4, characterized in that 4 to 20% by weight of T00 is used as the hard material. Process according to Claim 1, characterized in that the pressure of the protective gas is between 300 and 600 millimeters Hg. O4i8. A method of manufacturing an erosion-resistant coating, wherein at least one of the features specified in one of claims 1 to 7 is used alone or in combination therebetween. 10