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Molecule
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hafnium
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YTTRIUM
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NICKEL
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aluminium
(7)
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chromium
(5)
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cobalt
(5)
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silicon
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oxygen
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tantalum
(2)
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CR
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CO
(1)
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DES
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protec
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platinum
(1)
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tungsten
(1)
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titanium
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yttrium oxide
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11 f
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Physical
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2 %
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8-20 %
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0-30 %
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18 %
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12,5 %
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5 %
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15-25 %
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10-35 %
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1-3,0 %
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0- 10 %
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de 22 %
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22 %
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1,5 %
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de 8 %
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1,4 %
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12 %
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1 %
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-35 %
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1,1-30 %
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-20 %
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1,1-3,0 %
(1)
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Gene Or Protein
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ETRE
(13)
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Cde
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Generic
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oxide
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metals
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hafnium oxides
(1)
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Substituent
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oxy
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Publication
_________________________________________________________________
Number FR2511043A1
Family ID 29256869
Probable Assignee United Technologies Corp
Publication Year 1983
Title
_________________________________________________________________
FR Title REVETEMENT DE SURFACE A FORTE TENEUR EN YTTRIUM
Abstract
_________________________________________________________________
LA PRESENTE INVENTION CONCERNE UNE COMPOSITION DE REVETEMENT.
CE REVETEMENT CONSISTE ESSENTIELLEMENT EN 10-35 CR, 8-20 AL, 1,1-3,0
Y, 0-30 CO, LE COMPLEMENT ETANT DU NICKEL.
LA COMPOSITION DE REVETEMENT SELON L'INVENTION EST PAR EXEMPLE
UTILISABLE POUR ETRE APPLIQUEE SUR DES ELEMENTS DE MOTEUR A TURBINE A
GAZ EN SUBSTRAT DE SUPERALLIAGE A BASE DE NICKEL.
Description
_________________________________________________________________
La presente invention concerne des revetements
ameliores du type Ni Cr Al Y ou Ni Co Cr Al Y qui sont particu-
lierement utiles dans le cas o le revetement est appli-
que a un substrat de superalliage ne contenant pas de haf- nium Le
principe de l'invention est d'augmenter la teneur en yttrium dans le
revetement a une valeur depassant celle
precedemment utilisee.
Les revetements du type Ni Cr Al Y et Ni Co Cr Al Y tiennent leurs
proprietes protectrices de leur capacite a former (et a reformer de
facon repetitive) une mince couche
d'alumine sur la surface externe C'est cette couche d'alu-
mine qui resiste a une attaque a l'oxydation et a la corrosion a chaud
Des elements reagissant avec l'
oxygen
tels que l'yttrium sont ajoutes aux revetements pour favori-
ser l'adherence de l'alumine et pour retarder sa tendance a s'effriter
De l'hafnium peut egalement etre ajoute pour
ameliorer l'adherence de l'alumine.
L'etat de la technique n'anticipe pas la presente
invention, apparemment a cause de la succession de develop-
pements dans le domaine des superalliages et des revetements.
Au commencement, les superalliages etaient utilises dans la forme
ainsi nommene equiaxe et etaient utilises soit sans revetement, soit
avec des revetements simples tels que les revetements d'aluminiure
Comme les exigences de performances augmentaient, il y eu des
perfectionnements
paralleles dans le domaine des superalliages et des reve-
tements; dans le domaine des superalliages,des ameliorat Dns
substantielles etaient obtenues par le developpement de la
solidification orientee o l'alliage est solidifie avec
des grains allonges qui ont une orientation cristallographi-
que Ceci est decrit, par exemple, dans le brevet US No. 3 260 505 Dans
le domaine des revetements, environ au meme moment, on a developpe les
revetements de surface du type
M Cr Al Y De tels revetements sont sensiblement plus protec-
teurs que les revetements d'aluminiure precedemment utilises.
Les brevets US No 3 542 530, 3 676 085, 3 754 903 et
3 928 026 concernent des revetements de surface du type M Cr AY.
Malgre les promesses de la solidification orientee, des problemes
significatifs ont ete rencontres dans le -2- domaine de la ductilite
transversale On a trouve que les limites de grains separant les grains
allonges orientes etaient notablement faibles dans la direction
transversale a l'axe d'allongement Ce probleme a ete surmonte par
l'addition de petites hafnium a l'alliage ( 0,5 2 % hafnium), comme il
est decrit dans le brevet US
NO 3 711 337.
Grace au developpement des articles a solidification
orientee modifies par addition de hafnium et des revete-
ments de surface du type M Cr Al Y dans le meme laboratoire environ en
meme temps, il a ete naturel de les utiliser en combinaison l'un avec
l'autre Il est egalement naturel que dans des applications tres
exigentes, en particulier pour les ailettes de turbine du premier
etage du moteur, on utilise a la fois des substrats obtenus par
solidification orientee modifies par l'addition de hafnium et les
revetements de surface M Cr Al Y. Les proprietes des revetements de M
Cr Al Y ont ecte ameliorees au maximum en ce qui concerne la
composition pour les substrats a grains en colonne contenant du
hafnium obtenupar solidification orientee On a trouve que l'yttbam en
quantites superieures a environ 0,5 ou 0,7 pourcents en poids
produisait des phases indesirables a faible point de fusion a
l'interface revetement -substrat, apparemment
des phases a base d'yttrium et de hafnium.
Un progres depassant les articles a grains en colonne
est l'utilisation de techniques similaires mais plus avan-
cees pour produire des articles en monocristal comme il est decrit
dans le brevet US No 3 494 709 De tels articles
enxionocristal ne comportent pas de limites de grains inter-
nes et donc ne souffrent pas du probleme de la ductilite transversale
rencontre dans le cas des articles a grains
en colonne Par consequent, il n'y a pas necessite d'ajou-
ter du hafnium auxalliagen pour ameliorer la ductilite et en fait on a
trouve souhaitable d'eliminer le hafnium
de facon a ameliorer les possibilites de traitement thermi-
que des articles en superalliage a structure monocristalline.
Ce sujet est discute dans le brevet US No 4 116 723.
La presente invention provient de la comprehension -3- tardive que le
hafnium dans la matiere du substrat
jouait un role significatif pour augmenter les perfor-
mances du revetement aussi bien/ei ameliorant la ductilite
transversale et que les revetements de Ni Cr Al Y et Ni Co Cr Al Y
precedemment developpes pouvaient etre significativement ameliores.
Les compositions de revetement de la presente invention ont le domaine
large de compositions suivant: 10-35 % chromium, 8-20 % aluminium,
0-30 % cobalt, 1, 1-3,0 %
yttrium, le complement etant essentiellement du nickel.
Par l'utilisation de yttrium superieures
a celles precedemment utilisees dans ce type de reve-
tement, on obtient une resistance amelioree a l'oxydation.
Les revetements ont une utilite particuliere sur des
substrats qui ne contiennent pas d'additions intentionnel-
les de hafnium.
D'autres caracteristiques et avantages de l'invention
seront apparents a la lecture de la description des
revendications et des dessins qui representent un mode
de realisation de l'invention.
La figure represente la duree de vie du revetement
en fonction de la yttrium pour deux revete-
ments differents
Le principe fondamental de l'invention et la decou-
verte que sous certaines circonstances,en augmentant la yttrium dans
un revetement de Ni Co Cr Al Y par rapport a celle decrite dans la
technique, on obtient
un resultat benefique Le cas dans lequel ce revete-
ment de Ni Co Cr Al Y a forte teneur en yttrium est parti-
io culierement benefique estcelui o le revetement est appli-
1 Pas que a des substrats ne comprenant/de hafnium Le tableau 1 donne
les domaines de compositions pour les revetements
selon la presente invention.
-4-
TABLEAU I
Domaine large de Domaine de compositions compositions preferees E en
poids % en poids Nickel complement complement Cobalt 0-30 15-25
chromium 1015-25 Aluminium 8-20 10-20 Yttrium 1,1-3,0 1,1-3,0 Ces
compositions permettent d'obtenir une resistance a l'oxydation
amelioree du revetement et sont similaires a la composition de Ni Co
Cr Al Y decrite dans le brevet US 3 928 026 a l'exception des yttrium
plus elevees Les compositions selon l'invention conviennent pour la
protection d'articles en superalliages a base de nickel Il est connu
dans la technique que sous certaines circonstances d'autres additions
auzrevetements de Ni Co Cr Al Y peuvent etre benefiques Par exemple,
dans le brevet US NO 4 034 1421 on suggere l'addition de silicon au
revetements de M Cr Al Y alors que dans le brevet US 3 918 139,on
suggere l'addition de platinum et de metals nobles similaires aux
revetements de Ni Co Cr Al Y La presente invention peut etre appliquee
aixrevetementsde Ni Co Cr Al Y modifiesdecritsdans ces publications Il
est egalement
envisage que du tantalum ( 0- 10 %)puisse etre ajoute au revete-
ment de M Cr Al Y a forte teneur en yttrium pour obtenir des
proprietes ameliorees sans nuire de facon significative a l'effet
benefique fourni par la teneur en yttrium elevee
selon la presente invention.
Les compositions de revetements precedemment decrites peuvent etre
appliquees a divers types de substrats en utilisant differentes
techniques d'application Diverses considerations influencent le choix
dessubstratset la technique de revetement et differents avantages
peuvent en resulter L'avantage le plus grand est obtenu lorsque les
revetements de Ni Co Cr Y a forte teneur en yttrium selon l'invention
sont appliques a des substrats qui ne
contiennent pas d'additions intentionnelles de hafnium.
De tels substrats peuvent etre soit sous forme poly-
cristalline coul&cde facon habituelle soit sous forme a grains en
colonne obtenue par solidification orientee,
soit encore sous forme de monocristal obtenu par solidi-
fication orientee La forme a grains en colonne n'est pas vraisemblable
parce que, jusqu'a present, on a trouve que le hafnium est necessaire
pour favoriser la ductilite transversale a la limite de grains dans
les articles a structure a grains E colonne Neanmoins, si on avait un
article a grains en colonne ne comportant pas de hafnium, le
revetement selon l'invention serait hautement protecteur pour celui-ci
Des revetements a forte teneur en yttrium protegeront les substrats ne
comportant pas de hafnium independemment de la technique d'application
du revetement utilisee.
La figure montre l'effet de la teneur en yttrium
sur la duree de vie a l'oxydation de la matiere de revete-
ment de Ni Co Cr Al Y ainsi qu'une matiere de revetement
de Ni Co Cr Al Y modifieepar addition de silicon La compo-
sition nominale en poids de la matiere de Ni Co Cr Al Y
etait de 22 % cobalt, 18 % chromium, 12,5 % aluminium, quanti-
tes variable-;d'yttrium et le complement est du nickel et la
composition nominale en poids du Ni Co Cr Al Y modifie par addition de
silicon etait 22 % cobalt, 18 % chromium, 12,5 % aluminium, 1,5 %
silicon, quantites variables d'yttrium et le complement est du nickel
Tous les essais ont ete mis en oeuvre sur un substrat enmonocristal
ayant la composition nominale en poids de 8 % chromium, 5 % cobalt, 7
' tungsten, 1,4 % titanium, 12 % tantalum, -5 % aluminium,
complement essentiellement du nickel.
Les revetements ont ete appliques par procede de
depot physique de vapeur par bombardement electronique.
Les essais ont ete mis en oeuvre dans une installation de bruleur
cyclique fonctionnant a une temperature maximum de 11490 C Les
resultats de la duree de vie du revetement ont ete reajustes pour
refleter les differences
d'epaisseurs desrevetements.
On constate que l'effet de l'augmentation de la teneur 6- en yttrium
resulte en une augmentation significative de la duree de vie du
revetement Par exemple dans le cas de Ni Co Cr Al Y, l'augmentation de
la teneur en yttrium depuis 1 % a 2 % augmente la duree de vie du
revetement depuis environ 825 heures a environ 1290 heures, soit une
augmentation de plus de 50.
Une autre classe de substrats a laquelle le revetement selon
l'invention peut etre applique sont ces substrats
qui contiennent du hafnium Si les revetements selon l'in-
vention sont appliques a des substrats qui contiennent du hafnium, la
formation de phase a faible point de fusion
a l'interface revetement substrat peut etre un probleme.
Celui-ci peut etre reduit au minimum si le revetement est
applique par le procede de pulverisation a l'arc plasma.
Les revetements deposes par pulverisation a l'arc plasma
contiennent invariablement une quantite suffisante d'oxy-
gene pour oxyder le hafnium du substrat qui est pres de l'interface
revetement-substrat Une fois que le hafnium est oxide, il est stable
et il ne formera pas de phases nuisibles a faible point de fusion
Donc, le depot de revetement selon l'invention par pulverisation a
l'arc plasma sur des substrats contenant du hafnium ne presente
pas de problemes de points de fusion.
Lorsque les revetements de M Cr Al Y sont appliques par depot de
vapeur sur des substrats contenant du hafnium, le Hafnium du substrat
diffuse dans le revetement et ameliore ses performances
Cependant,lorsque les revetements de M Cr Al Y sont appliques par
pulverisation a l'arc plasma sur des substrats contenant du hafnium,
l'oxygen qui est present sous forme d'yttrium oxide et d'aluminium
dans le revetement empeche le hafnium de diffuser suffisamment
jusqu'a la surface du revetement pour ameliorer ces perfor-
mances Au lieu de ceci, le hafnium qui diffuse reduit
les autres oxydes (oxyde d'aluminium etoxided'yttrium) et for-
me des hafnium oxides stableset par consequent, il n'en
esulte aucune amelioration du revetement.
En utilisant le revetement riche en yttrium selon l'in-
vention, il est possible de compenser la perte due a
4 u "l'effet" du hafnium du substrat sur des revetements pul-
-7- verises a l'arc plasma La quantite accrue d'yttrium remplace le
hafnium manquant en favorisant une bonne
adherence de la couche d'alumine protectrice du revete-
ment Donc la durabilite du revetement pulverise a l'arc plasma est
augmentee meme sur des substrats contenant du hafnium. Bien entendu
diverses modifications peuvent etre
apportees par l'homme de l'art aux compositions de reve-
tements qui viennent d'etre decrites uniquement sous forme d'exemples
non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. -8
Claims
_________________________________________________________________
Revendications:
1 Composition de revetement capable de fournir une protection
superieure aux substrats en superalliage caracterisee en ce qu'elle
consiste essentiellement en -35 % Cr, 8-20 % Al, 1,1-30 % Y, 0-30 %
Co, le complement etant du nickel.
2 Composition de revetement selon la revendication 1, caracterisee en
ce que le substrat en superalliage ne contient pas d'additions
intentionnelles de 11 f.
3 Composition de revetement caracterisee en ce que le superalliage
contient des additions intentionnelles de Hfbtdjos que 0,1 a 2 %, la
composition de revetement etant appliquee par pulverisation a l'arc
plasma.
4 Composition de revetement selon l'une quelconque des revendications
1 ou 2, caracterisee en ce que le sub- strat est un article ayant une
structure monocristalline. Composition de revetement selon l'une
quelconque des revendications 1 a 4, caracterisee en ce que le reve-
tement consiste essentiellement en 15-25 % Co, 15-25 % Cr, -20 % Al,
1,1-3,0 % Y, le complement etant du nickel. 6 Utilisation d'une
composition de revetement selon l'une quelconque des revendications 1
a
5 comme revetement d'un element de turbine a gaz presentant une
resistance accrue a l'oxydation et consistant en un substrat de super-
alliage a base de nickel.
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