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NICKEL
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COBALT
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YTTRIUM
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ZIRCONIUM SILICate
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chromium
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ALUMINIUM
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nickel-aluminium
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magnesium silicate
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DES
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magnesium zirconate
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aluminium-yttrium
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magnesium
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Gene Or Protein
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Etre
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DANS
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Est-a
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Lic
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Cou
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Tre
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Generic
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metal
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oxide
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nitride
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Physical
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0,508 mm
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1,016 mm
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de 70 percent
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de 6,35 mm
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Publication
_________________________________________________________________
Number FR2522543A1
Family ID 3162922
Probable Assignee Rolls Royce
Publication Year 1983
Title
_________________________________________________________________
FR Title PROCEDE D'APPLICATION D'UN REVETEMENT EN MATERIAU COMPOSITE
SUR DES PIECES
Abstract
_________________________________________________________________
UN REVETEMENT 2 D'ISOLATION THERMIQUE EST FAIT D'UN MATERIAU COMPOSITE
FORME DE PARTICULES 3 D'oxide A FAIBLE CONDUCTIVITE THERMIQUE NOYEES
DANS UN LIANT, COMPACTE ET FIXE A LA SURFACE D'UNE PIECE 1 PAR
COMPRESSION ISOSTATIQUE A CHAUD. IL EXISTE PLUSIEURS TYPES DE CE
REVETEMENT: L'UN D'EUX EST FORME DE PARTICULES D'UN oxide COMME LA
ZIRCONE, NOYEES DANS UN LIANT METALLIQUE TEL QU'UN ALLIAGE DE
chromium, D'ALUMINIUM ET D'YTTRIUM CONTENANT DU COBALT ETOU DU NICKEL.
DANS UN AUTRE TYPE, LE LIANT EST UNE MATIERE CERAMIQUE, COMME LE
ZIRCONIUM SILICate, QUI EST DUCTILE AUX TEMPERATURES ELEVEES. IL FAUT
ALORS UNE COUCHE METALLIQUE, PAR EXEMPLE UN ALLIAGE DU TYPE MCRALY,
ENTRE LE REVETEMENT ET LA SURFACE DE LA PIECE.
Description
_________________________________________________________________
La presente invention concerne un revetement de materiau composite et
un procede pour appliquer ce reve- tement sur un article.
Des materiaux composites, comprenant des matieres ceramiques ou des
verres, sont utilises comme revetements d'isolation thermique sur des
pieces telles qu'aubes et disques de rotors de turbines a gaz pour
diminuer la rapi- dite avec laquelle la chaleur ambiante penetre dans
cel- les-ci. Tels qu'ils sont traditionnellement appliques, c'
est-a-dire au moyen d'un pulverisateur a flammes, ces re- vetements
sont poreux et les minuscules poches d'air em- prisonne qu'ils
contiennent ameliorent considerablement leurs proprietes d'isolation
thermique Par contre, elles diminuent leur densite, de sorte qu'ils
resistent moins bien a l'erosion et adherent relativement mal au
support metallique.
Des problemes similaires surgissent en ce qui con- cerne l'adherence
d'autres revetements composites, tels que les revetements abrasif Sou
susceptibles d'abrasionap- pliques sur des aubes de rotor et des
carters de turbines a gaz et utilises pour diminuer les effets du
contact avec frottement entre les tetes d'aubes et les carters.
L'invention a donc pour objet de fournir un proce- de d'application
d'un revetement en materiau composite sur un article grace auquel ce
revetement adhere solidement au support tout en conservant les
proprietes exigees de lui. A cet effet, le procede selon l'invention
consiste a melanger a un liant une matiere ceramique a l'etat de
particules et a compacter le melange sur une surface de 1 ' article
par pression isostatique a chaud.
La matiere ceramique peut avoir une conductivite thermique inferieure
a celle du materiau dont est fait I' article et le liant peut etre
fait de metal ou de verre.
Le melange obtenu est applique sur l'article sous forme de revetement
et l'article ainsi revetu est ensuite soumis a une pression
isostatique a chaud pour compacter le re- vetement et le fixer sur
l'article.
Les particules de ceramique sont de preference des particules d'oxide,
mais on peut utiliser d'autres formes de ceramiques, par exemple un
nitride, ou un oxide mixte, par exemple du magnesium zirconate ou un
magnesium silicate, suivant les proprietes exigees du revetement.
Il est preferable que les particules de ceramique soient spheriques et
que, notamment dans le cas d'un reve- tement d'isolation thermique,
ces particules spheriques soient creuses.
Dans une forme d'execution du revetement selon I' invention, destinee
notamment a servir d'isolation thermi- que, le liant est metallique,
de preference un alliage re- sistant aux temperatures elevees et a la
corrosion, les particules d'oxide assurant une diminution de la
conducti- vite thermique du revetement composite, tandis que la ma-
trice metallique, compactee sur la surface de l'article par la
compression isostatique a chaud, forme une liaison par diffusion avec
le support metallique, liaison qui fournit une bonne adherence La
matrice de metal agit com- me une couche souple entre l'oxide,
materiau a faible coefficient de dilatation thermique, et le materiau
du support, et sa composition est choisie, entre autres, de facon
qu'elle contribue a attenuer les effets de l'ecart entre les
dilatations thermiques respectives des deux ma- teriaux.
Comme exemples d'oxydes a faible conductivite ther- mique, on peut
citer la zircone, l'alumine et la silice, et, parai ces oxydes, on
choisira de preference la zirco- ne, car elle possede la conductivite
thermique la plus faible. On comprendra que la zircone necessite la
presence d'agents stabilisants, de sorte que tout au long du pre- sent
memoire, toute reference a la zircone devra etre com- prise comme se
rapportant a la zircone stabilisee.
Le liant metallique est de preference un alliage, dont la composition
est aussi fonction de l'environnement dans lequel il aura a travailler
Dans l'environnement propre a une turbine a gaz, des proprietes telles
que la resistance a l'oxydation ou a la corrosion en general sont
presque toujours exigees, de sorte que les composi- tions de
revetement preferees seraient un alliage nickel-aluminium pour la
resistance a l'oxydation ou un des al- liages chrome-alumium-yttrium,
avec du cobalt ou du nickel, pour la resistance a la corrosion en
general.
Dans une autre forme d'execution du revetement se- lon l'invention, le
liant utilise est un liant non metal- lic ductile, par exemple une
ceramique vitreuse, comme le zirconium silicate Ceci diminue encore
davantage la conductivite thermique de la couche exterieure en eli-
minant la presente d'un metal, materiau qui est tres bon conducteur,
mais peut necessiter l'adjonction d'une couche intermediaire pour
produire une bonne adherence avec le support de metal.
L'epaisseur du revetement depend bien evidemment de l'usage auquel il
est destine Lorsqu'il doit servir d'ecran a la chaleur, cette
epaisseur peut etre de l'ordre de 0,250 A 0,508 mm Par contre, les
revetements suscepti- bles d'erosion ou les revetements abrasifs, par
exemple sur les tetes d'aubes de rotors, sont habituellement un peu
plus epais,et leur epaisseur peut etre comprise entre
0,508 et 1,016 mm environ.
Dans une forme d'execution encore differente de 1 ' invention, un
blindage leger peut etre applique sur la te- te d'une aube de rotor,
blindage qui est suffisamment e- pais pour etre amene par usinage a
une forme specifique.
Le terme "revetement" doit etre interprete comme englobant un tel
blindage.
De toute facon, l'invention sera bien comprise a 1 ' aide de la
description qui suit, en reference au dessin schematique annexe,
representant, a titre d'exemples non limitatifs, plusieurs formes
d'execution de ce revetement: Fig 1 represente une partie d'aube de
turbine a gaz munie d'un revetement selon l'invention; Fig 2
represente une partie d'aube de turbine a gaz munie d'une autre forme
d'execution du revetement se- lon l'invention; Fig 3 est une
reproduction agrandie d'une micro- graphie d'un revetement selon
l'invention comportant prin- cipalement des particules spheriques de
ceramique et fixe a un support de metal.
Comme le montrent les figures, une aube 1 de turbi- ne a gaz est munie
d'un revetement composite 2, qui sert d'ecran a la chaleur et est
constitue par des particules de zircone 2 noyees dans un liant en
alliage nickel-aluminium. Ce revetement composite est applique sous la
forme d'une suspension, en une ou plusieurs couches, par pulve-
risation, trempage ou toute autre methode appropriee A- pres sechage,
un autre revetement de nickel est applique sur la surface par depot
electrolytique Ce revetement supplementaire fournit une couche externe
qui est etanche aux gaz et transmet la pression au cours de la
compres- sion isostatique a'chaud qui a lieu ulterieurement et sa
composition ou la methode suivie pour son application ne forment pas
une partie essentielle de l'invention Il peut etre applique, par
exemple, par pulverisation de plasma ou par depot a l'etat de vapeur,
ou il peut avoir la for- me d'un sac metallique etroitement ajuste,
qui est soude et dans lequel on a fait le vide En fait, on peut lui
substituer un revetement de verre, a la condition qu'il n'y ait pas de
possibilite d'interaction avec le revete- ment composite.
Une fois que ce revetement supplementaire a ete ap- plique, la piece
est placee dans un recipient et elle est soumise a une pression
isostatique A chaud pour lier le revetement au support de metal.
La compression isostatique A chaud est une opera- tion connue en soi
et elle ne sera pas decrite en detail dans le present memoire Il
suffit de savoir que durant cette operation l'aube de turbine est
soumise a une pres- sion comprise entre 151 700 et 379 250 Pa environ,
a une temperature superieure a 8000 C Lorsque cela est possible,
l'operation de compression isostatique a chaud peut etre combinee a un
traitement thermique eventuellement neces- saire pour reduire le cout
de fabrication global de l'au- be munie du revetement, etant donne que
les traitements thermiques de ce type ont generalement lieu a des
tempe- ratures comprises entre 8000 C et 13000 C.
Une fois la compression isostatique a chaud termi- nee, le revetement
supplementaire metallique ou autre est enleve par n'importe quel
procede approprie, par exemple par attaque chimique, pour mettre a nu
le revetement com- posite thermo-isolant maintenant compacte.
Dans cette forme d'execution de l'invention, le re- vetement adhere
directement au support de metal grace a une liaison par diffusion
assuree par le liant metallique, lequel est choisi pour sa resistance
a l'oxydation ou a la corrosion aux temperatures elevees ainsi que
pour ses proprietes de dilatation thermique A la place du liant en
alliage nickel-aluminium qui vient d'etre decrit, on peut utiliser
n'importe quel autre liant traditionnel re- sistant a la corrosion,
par exemple un des liants en al- liage connu sous la denomination
generale de M Cr Al Y, dans laquelle Cr, Al et Y sont les symboles du
chromium, de I' aluminium et de l'yttrium et M peut etre le cobalt, le
nickel ou un melange des deux.
L'incorporation d'un liant metallique au revetement d'isolation
thermique diminue l'efficacite de ce dernier a cause de la
conductivite thermique du metal.
On peut toutefois reduire encore davantage la con- ductivite thermique
du revetement en utilisant des parti- cules de ceramique spheriques et
creuses En utilisant des particules spheriques, on dispose d'un
controle beau- coup plus serre sur la densite du revetement Il existe
un volume de spheres maximal qui peut etre contenu dans un volume fixe
donne et, en utilisant differentes gran- deurs de spheres, on peut
graduer la densite du revete- ment de facon a placer le volume maximal
de metal pres de la surface de l'article et le volume maximal de
ceramique pres de la face externe du revetement Le volume maximal de
ceramique dans le melange est de l'ordre de 70 percent Les auteurs de
l'invention ont constate qu'un melange de sphe- res creuses de zircone
adhere correctement a un liant en alliage
cobaltchrome-aluminium-yttrium et a un support en alliage a base de
nickel.
L'epaisseur du revetement d'isolation thermique re- presente doit
evidemment etre choisie de facon a donner un resultat optimal pour les
conditions auxquelles ce re- vetement est soumis, mais on peut
generalement utiliser u- ne epaisseur comprise entre 0,254 et 0,508 mm
Etant don- ne que la plus grande diminution possible de la conducti-
vite thermique, qui necessite un revetement epais, et la plus grande
legerete possible, qui exige un revetement mince, sont deux exigences
contradictoires, il sera neces- saire de proceder par approximations
successives pour de- terminer l'epaisseur et les proprietes optimales.
Si l'on peut atteindre un volume maximal de sphe, res de ceramique tel
que celles-ci se touchent toutes, il peut etre possible d'en extraire
certaines ou de les ex- traire toutes du revetement pour laisser des
espaces d' air dans celui-ci.
Dans la variante de realisation representee a la figure 2, un
revetement entierement non metallique 10 est applique sur l'aube et
l'adherence est amelioree par l'u- tilisation d'un revetement
intermediaire 11 entre la cou- che d'isolation thermique et le support
de metal.
Etant donne que la compression isostatique a chaud donne un revetement
dense, il n'y a plus dans ce dernier aucune souplesse qui lui permette
d'absorber les contrain- tes crees en lui par les differences de
temperature d'un endroit a un autre Dans cette variante de revetement,
il est donc prevu de noyer le materiau oxide dans un liant ductile
pour absorber ces contraintes thermiques.
Le revetement d'isolation thermique est, dans ce cas, un materiau
composite forme de particules de zircone 12, qui peuvent etre des
spheres creuses, et d'un liant au zirconium silicate, lequel est tres
ductile aux tem- peratures elevees.
Pour ameliorer l'adherence et diminuer les diffi- cultes dues aux
differences de dilatation thermique, une couche intermediaire 11, de
preference une couche metalli- que formee d'une des compositions
d'alliage M Cr Al Y preci- tees,-ekt appliquee sur le support Cette
couche metalli- que intermediaire forme une zone souple entre le
revete- ment et le support et elle apporte une resistance a la
corrosion.
LA o le revetement doit etre susceptible d'ero- sion ou etre abrasif,
la forme des particules est de pre- ference irreguliere et non pas
spherique et l'epaisseur peut atteindre 1,016 mm Le materiau ceramique
pour un re- vetement abrasif est de preference de l'alumine ou du si-
magnesium ayant pour formule Mg O 25 i O 2.
Une fois que le materiau oxide est emprisonne dans le liant, le fait
que la liaison entre eux reste ou non intacte peut ne pas avoir
d'importance.
On peut voir a la figure 3 que la partie metallique du revetement
composite (zones claires) s'est inflitree partout entre les particules
de ceramique (zones sombres) et a forme une bonne liaison avec le
support (grande par- tie claire).
Bien que l'invention ait ete decrite en relation a- vec des aubes de
turbines a gaz, il est clair qu'elle peut aussi s'appliquer a d'autres
pieces dans lesquelles un re- vetement d'isolation thermique ou autre
est actuellement utilise ou pourra l'etre dans l'avenir Comme exemple
d' autre usage, on peut citer celui de revetement d'isola- tion
thermique pour des chemises de chambres de combus- tion dans des
turbines a gaz On peut citer aussi le re- vetement des soupapes de
moteurs a pistons.
L'invention ne se limite pas a l'emploi de revete- ments minces Le
materiau du revetement composite peut e- tre leger si l'on utilise des
particules de ceramique de faible densite et notamment s'il s'agit de
spheres creu- ses De meme, le liant metallique procure une tres bonne
adherence a un support lorsqu'il lui est lie par pression isostatique
a chaud.
L'invention qui vient d'etre decrite enbrasse donc par exemple la
fixation d'un revetement leger et epais, pouvant atteindre, par
exemple une epaisseur de 6,35 mm, sur la tete d'une aube de rotor ia
profil aerodynamique, sous la forme d'un bloe qui presente une
surepaisseur lui permettant d'etre amene par usinage a la forme d'un
blin- dage d'aube Le terme revetement est donc utilise ici dans un
sens tres large.
Claims
_________________________________________________________________
REVENDICATIONS -
1. Procede d'application d'un revetement compo-site sur un article,
caracterise en ce qu'il consiste amelanger a un liant une matiere
ceramique a l'etat de par-ticules et a compacter le melange sur une
surface de cetarticle par pression isostatique a chaud.2. Procede
selon la revendication 1, caracteriseen ce que les particules de
ceramique ont une forme sphe-rique. 3 Procede selon la revendication
2, caracterise en ce que les particules de ceramique sont des spheres
creuses.4. Procede selon l'une quelconque des revendica-tions
precedentes, caracterise en ce que le liant est unepoudre
metallique.5. Procede selon la revendication 4, caracteriseen ce que
le liant est un alliage de nickel et d'aluminium.6. Procede selon la
revendication 4, caracterise en ce que le liant est un alliage de
chromium, d'aluminiumet d'yttrium contenant du cobalt et/ou du
nickel.7. Procede selon la revendication 1, caracterise en ce que le
liant est une matiere ceramique qui est plusductile que celle des
particules a une temperature elevee.8. Procede selon la revendication
7, caracteriseen ce que le liant est du zirconium silicate.9. Procede
selon l'une quelconque des revendica-tions 1 a 6, caracterise en ce
que les particules de ce-ramique sont faites d'un materiau choisi dans
un groupeforme de la zircone, de l'alumine, de la silice et du
magnesium silicate ayant pour formule Mg O 25 i O 2.10. Procede selon
la revendication 1, caracterise en ce qu'il consiste a melanger des
spheres creuses de zircone avec un liant constitue par une poudre de
nickel ou d'alliage a base de cobalt, a appliquer ce melange a la
surface de l'article et a le fixer a cette surface parpression
isostatique a chaud.11. Article muni d'un revetement composite,
carac-terise en ce que ce revetement est applique suivant leprocede
selon l'une quelconque des revendications prece-dentes. 12. Article
selon la revendication 11, caracterise en ce que le revetement est un
revetement d'isolation thermique.13. Article selon la revendication
11, caracteri-se en ce que le revetement est un revetement abrasif.14.
Article selon la revendication 11, caracteri-se en ce que le
revetement est un revetement susceptible d'erosion.15. Article selon
la revendication 11, caracteri-se en ce que le revetement est un
revetement leger quiest ensuite amene par usinage a la forme
demandee.16 Article selon l'une quelconque des revendica-tions Il a
15, caracterise en ce que l'article est uneaube a profil aerodynamique
(1) pour turbine a gaz.17. Article selon l'une quelconque des
revendica-tions 13 a 15, caracterise en ce qu'il est une aube de rotor
a profil aerodynamique pour turbine a gaz et en ceque le revetement
est applique a la tete de l'aube.
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