FR2467243A1 - Revetements du type mcraly comportant du carbone, articles revetus et procedes pour ces revetements - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne des revêtements du type MCrAlY comportant du carbone, des articles revêtus par ces revêtements et un procédé d'application de ces revêtements. Le revêtement protecteur est un alliage du type MCrAlY comprenant du carbone en quantité de 0,6-11 % et se caractérise dans un mode de réalisation préféré en ce que la matrice comportant du carbone contient des carbures de métal de transition ayant des dimensions de l'ordre de 1 à 2 microns et des carbures de chrome ayant des dimensions inférieures à 12 microns. Le revêtement est obtenu par pulvérisation à l'arc plasma d'un mélange de poudre de MCrAlY et de Cr3C2 pour former un revêtement comprenant à la fois des carbures fins et des carbures plus gros du type Cr3C2 dans une matrice de MCrAlY. Un traitement thermique à 1 080 degrés C lie le substrat et le revêtement et forme davantage de carbures fins. (CF DESSIN DANS BOPI)

Description

- 1 - La présente invention concerne des revêtements protecteurs et des

articles revêtus et, plus précisément, des revêtements ayant une résistance élevée aux hautes températures contre l'oxydation, la corrosion et l'usure, pouvant être appliqués à des articles en superalliage et un procédé pour appliquer ces revêtements sur un substrat

de superalliage.

Dans les moteurs à turbine à gaz moderne, certains éléments du moteur tes que les aubes et ailettes en superalliage de la turbine doivent être pourvus d'une résistance élevée à l'oxydation et à l'usure à haute température. Ces propriétés sont spécialement importantes en ce qui concerne la région de l'entaille Z sur la bague d'étanchéité disposée autour du sommet des ailettes qui frotte contre les entailles Z des ailettes de turbine adjacente et qui est soumise à une oxydation et usure sévère. Dans le passé l'entaille Z a été protégeepar divers matériaux y compris des revêtements de durcissement soudés dont un exemple typique est un revêtement à base de cobalt ayant la composition nominale en poids 28% Cr, 5% Ni, 19,5% W, 1% V, le complément étant du cobalt. Bien qu'il sdentcapablEfs de fournir une protection à la zone de l'entaille Z de la bague d'étanchéité disposée autour du sommet des ailettes pendant le fonctionnement du moteur, de tels revêtements de durcissement sont coûteux

et dans certains! leur durée de vie a été moins que satisfai-

sante. D'autres techniques plus économiques pour appliquer ces revêtements de durcissement tEksque3pulvérisation à 1' arc plasma ne sont pas satisfaisantes à cause d'une adhérenceinsuffiisante du revêtement pendant la mise en service. Un autre type de matière qui a été utilisé- comme revêtement protecteur à température élevée,résistant à la chaleur à l'usure et à la corrosion est celui o des particules dures sont encastres dans une matrice plus douce dont le carbure de tungstène dans une matrice de

cobalt est un exemple familier pour les températures infé-

rieures jusqu'à 5400C. D'après le brevet US No. 3 023 130 les particules de carbure réfractaires sont incorporées -2- dans des alliages pour soudage à base de fer résistantsà la chaleur. On a souvent préféré des particules de carbure

de chrome, habituellement en quantit(rjusqu'à 90% en poids.

Par exemple, dans le brevet US, 3 150 938, des particules ayant une dimension de 40 microns et moins ont été incorporées dans un alliage de nickel-chrome (80%-20%). dans le brevet US numéro 3 556 747 des particules ont été incorporées dans une matrice de molybdène avec des quantités minimes de nickel -chrome et; dans le brevet US No. 3 230 097 on les a incorporéesdans un alliage de brasage de chrome et de

nickel à point de fusion inférieur. Ces revêtements mention-

nés précédemment sont appliqués par divers procédés y compris le soudage, mais la pulvérisation à l'arc plasma

ou à la flamme est le procédé le plus prometteur.

Il existe deux propriétés des alliages et des revê-

tements qui sont à noter. Tout d'abord, les matrices n'ont pas une résistance à l'oxydation-corrosion suffisante pour des applications avec les entailles Z des moteurs à turbine à gaz. Deuxièmement, les particules de carbure de chrome en elles-mêmessont incorporées dans le revêtement tel qu'il est utilisé. C'est-à-dire, les particules de carbure de chrome exactesdans le mélange appliqué sont les particules qu'on a prévu qu'elles devaient être présentes dans l'alliage du revêtement. La fonction de l'alliage de la matrice est simplement un liant. Par conséquent, les revêtements à particules de carbure de chrome et matrice métallique connus jusqu'à présent sont susceptibles de se rompre à cause de l'usure,érosion et corrosion et oxydation de la matrice. Par conséquent le rendement des revêtements

composites contenant des particules est limité par la matrice.

Il existe donc une nécessité de réaliser un revêtement forte-

ment amélioré qui tend à être plus homogène et monolithique

et avoir un meilleur rendement.

Il est bien connu que la famille des vêtements protecteurs généralement désignée MCrAlY, o M est choisi parmi le nickel, cobalt et fer et leur mélange, peut donner une résistance à l'oxydation corrosion dans un milieu de moteur à température élevée par comparaison à d'autres types de revêtements et de matières de matrice des revêtements -3- contenant du carbure mentionr&s çrécédemment. Voir par exemple les brevets US Nos. 3 676 085, 3 754 903, 3 928 026 et 3 542 530. Cependant, dans le passé ces alliages de revêtements du type MCrAlY ont été appliqués à la partie aérodynamique et à la racine de l'aube en superalliage

o il n'existe aucun frottement ou autre conditions similai-

res favorisant l'usure d'une manière presqu 'aussi sévère que celle à laquelle l'entaille Z de la bague d'étanchéité

disposée autour du sommet des ailettes est soumise.

Jusqu'à présent,les revêtements MCrAlY ne comportaient volontairement pas de quantités substantielles de carbone étant donné qu'on ne considérait pas sa présence comme bénéfique.En fait, la migration du carbone de certains

des superaliages a été observée comme provoquant la forma-

tion de carbure de chrome indésirable à l'interface revête-

ment - métal de base et on a recherché la suppression de ce carbone comme par exemple dans le brevet US No. 3 955 935. Un cas relativement ésotérique se produit au contraire lorsque certains alliages spéciaux contiennent une teneur relativement élévée en carbone, par exemple les alliages eutectiques Ni-Ta-C. Ici, comme il est décrit dans

le brevet US No. 4 117 179, un revêtement de MCrAlY conte-

nant un peu de carbone (environs 0,1% en poids) est utilisé

pour éviter la migration visible du carbone de l'alliage.

Mais la teneur en carbone dans le revêtement est réduite au minimum pour éviter la formation de carburé et il n'existe aucune suggestion ni tendance d'obtention d'une résistance

améliorée à l'usure.

Il existe un autre brevet US ayant un rapport avec la présente invention. Dans le brevet US No. 4 124 137 on décrit un revêtement en alliage de CoCr contenant du carbure de tantale pour résister à l'usure à température élevée. Dans sa forme la plus large, ce revêtement consiste essentiellement en 17-35 Cr, 5-20 Ta, 0,5-3,5 C, complément Co.D'autres modes de réalisation contiennent des métaux de terres rares Al, Si et divers oxydes métalliques. Bien entendu ainsi qu'il est bien connu et indiqué dans le brevet US No. 4 124 137, Ta est un élément durcisseur de la

solution solide dans les alliages de température élevée.

Bien qu'il soit préféré à W et Mo pour la résistance à l'oxy-

dation - corrosion, en tant que métal réfractaire Ta au mieux n'améliore pas la résistance à l'oxydation-corrosion dans l'alliage du type CoCrAlY et plus vraisemblablement d'autres éléments dans

dégrade de celle-ci, s'il -remplace seulement/le système.

Bien entendu, ainsi qu'il est parfaitement décrit dans la littérature, les moteurs à turbine à gaz fonctionnent

aux conditions extrêmes de la durabilité de la matière.

Une matière dont les propriétés ont été portées au maxiAium pour une application, par exemple oxydation à 1100 OC, peut

se comporter plutôt médiocrement au cours d'une autre situa-

tion, par exemple la corrosion à chaud à 9000C et vice versa. En conséquence, il existe souvent des compromis nécessaires. L'addition de la nécessité d'une résistance à l'usure ajoute une variable supplémentaire dont on doit tenir compte. Donc, il existe plusieurs nécessités et de la place pour un perfectionnement des alliages de revêtements pour obtenir le rendement maximum dans un moteur à turbine

à gaz.

Il est un but de la présente invention de réaliser un alliage de revêtement résistant à l'usure,à l'oxydation et à la corrosion et un article en superalliage revêtu par ce revêtement utilisable aux températures jusqu'à 10000C

ou davantage.

Selon 1' invention le revêtement perfection-

né comprend du chrome, de l'aluminium, de l'yttrium et du carbone, le complément étant choisi dans le groupe consistant

en nickel, cobalt, fer ou des mélanges de ceux-ci. L'inven-

tion résulte en un revêtement consistant essentiellement en une matrice de MCrAlY riche en carbone contenant de fins carbures ayant une dimension de l'ordre de 1 à 2 microns

et des carbures de chrome plus gros de l'ordre de 12 microns.

Un mode de réalisation comprend une composition de revêtement consistant en 18-80% de chrome, 1,2 -29% d'aluminium, jusqu'à 4,8% d'yttrium, 0,611% de carbone, le complément étant choisi dans le groupe consistant en nickellcobalt et fer et des mélanges de ceux-ci. Avantageusement, le revêtement consiste en 23-68% de chrome, 4-22% d'aluminium, jusqu'à 4,4 % d'yttrium, 1,5-7,8% de carbone, le complément étant -5- choisi dans le groupe consistant en nickel, cobalt, et fer et des mélanges de ceux-ci. Dans un mode de réalisation préféré, la composition de revêtement consiste essentiellement en poids en 36% de chrome, 10% d'aluminium, 2,6% de carbone, 0,52 % d'yttrium et le complément est du cobalt. Le revêtement perfectionné consiste en composés complexes des éléments déposés par comparaison aux particules de carbure de chrome simplement piégées dans une matrice métallique comme il est connu dans la technique. On, admet que le revêtement comprend dans sa structure des composés complexes de MCrAlY avec une teneur substantielle en carbone ensemble avec des carbures de métaux de transition non-stéochiométriquesaussi bien que

du Cr3C2.

Selon un autre but de l'invention, on applique un revêtement amélioré du type MCrAlY contenant des carbures de chrome par pulvérisation à l'arc plasma d'une poudre. Suivant un mode de réalisation, la poudre comprend un mélange de

MCrAlY et de Cr3C2 et le revêtement déposé consiste essentiel-

lement en poids en 18-80 Cr, 1,2-29A1, jusqu'à 4,8 Y, 0,6-

llC, le complément étant choisi dans le groupe consistant en Ni, Co, et Fe ou des mélanges de ceux-ci. Avantageusement le revêtement consiste essentiellement à 23-68Cr, 4-22A1,

jusqu'à4,4 Y, 1,5-7,8C, le complément étant revendiqué ci-

dessous. Une composition particulièrement préférée consiste en 36% Cr, l0%Al, 2,6 %C, 0,5%Y, le complément étant Co. Les revêtements perfectionnés en outre se caractérisent par la matrice de MCrAlY contenant de fins carbures de l'ordre de 1 à 2 microns et des carbures de chrome plus gros de l'ordre de 12 microns, les fins carbures étant formés pendant le procédé de pulvérisation lorsque le mélange de poudre est utilisé. Encore mieux, le substrat sur lequel on a procédé à la pulvérisation à l'arc plasma es soumis à un traitement thermique à 10800C pour obtenir la soudure par diffusion du revêtement et former encore davantage de fins carbures de métaux de transition dans la matrice qui est saturée de carbone. Le procédé d'application du revêtement trouve une application spéciale comme revêtement protecteur des bagues d'étanchéité disposées autour des sommets des aubes des turbinesréalisées en superalliage à base de nickel ou

cobalt et de fer pour obtenir une durée de vie significati-

vement accrue dans les milieux du moteur à turbine à gaz.

La morphologie spéciale du revêtement, la combinai-

son de carbures fins et de carbures plus gros, donne une matrice particulièrement durable et dure comprenant des complexes de carbures de chrome plus gros résistant à

l'usure et bien soudés.

Pour que l'invention puisse être mieux comprise, référence est faite aux figures suivantes o: Les figures 1 et 2 sont des sections transversales au travers d'un revêtement selon l'invention ayant subi

un traitement thermique,de microphotographie avec grossis-

sement 250x et 500x, respectivement après décapage

électrolytique avec une solution d'acide chromique à 5%.

La figure 3 est une microphotographie au microscope électronique de balayage d'une section transversale au travers d'un revêtement de la présente invention avec

grossissement 1000 x.

La figure 4 est similaire à la figure 3 mais

représente le revêtement après traitement thermique.

Les superalliages sont généralement ces alliages caractérisés par des alliages de nickel, de cobalt ou de fer qui possèdent des résistances mécaniques élevées aux températures élevées. Il existe un certain nombre de superalliages qui sont utilisés dans les moteurs à turbine à gaz. Parmi ceux-ci, les propriétés physiques les plus grandes sont généralement exigées de ces alliages utilisés pour les ailettes et les aubes de cesmoteuis étant donné que les ailettes et les aubes subissent les contraintes les plus élevées aux températures les plus élevées. En ce qui concerne les aubes, le service le plus sévère en ce qui concerne l'oxydation et l'usure est subi par la zone de l'entaille Z des bagues d'étanchéité disposées autour des sommets des ailettes, lesquelles zones frottent

l'une contre l'autre pendant le fonctionnement du moteur.

Les figures 1,2, 3 et 4 montrent un revêtement ayant une épaisseur de 0, 023 mm selon l'invention o la -7- composition consiste en poids en 36 % Cr, 10% Ai, 2,6% C et 0,52% Y et le complément est du cobalt1qui a été appliqué à un substrat en superalliage d'Inconel 718. (désignation commerciale). Comme on peut le voir dans les figures, il existe une structure multiphase qui,à la microanalyse, semble comprendre des particules de carbures complexes dispersées plus ou moins au hasard au travers de la matrice qui comporte du carbone. Les carbures complexes plus grands ot des dimensions très fines avec un diamètre moyen d'environ 10 microns et sont généralement inférieures à

-20 microns.

Pour garantir une densité de revêtement élevée et la structure complexe souhaitée, on applique le revêtement au substrat par le procédé de pulvérisation à l'arc plasma et l'appareilydécrit dans la demande de brevet US no. 974 666 déposé le 3 novembre 1978. Dans cette technique de pointe, les poudres nécessaires pour former le revêtement sont injectées dans un courant de gaz plasma refroidi et ensuite pulvérisées sur le substrat. Cette technique de pointe a été utilisée pour former le revêtement représenté dans les figures. Un mélange physique de deux poudres ayant une dimension de grains inférieure à 44 microns, l'une une poudre d'alliage du type MCrAlY comprenant en poids 63% cobalt, 23% chrome, 13% aluminium et 0,65% d'yttrium et l'autre une poudre de carbure de chrome (Cr3C2) comprenant 87% de chrome et 13 % de carbone,ont été injectées dans le courant de gaz plasma. Environ 50% du mélange était de la poudre de CoCrAlY. Après pulvérisation à l'arc plasma inerte par cette technique, l'article revêtu avec la structure représentée dans la figure 3 a subi un traitement thermique

à 10800C durant 4 heures pour former une soudure par diffu-

sion entre le revêtement et le substrat et on a obtenu une structure quelque peu différente représentée dans les figures 1,2 et 4. D'autres combinaisons de températureset de temps sont applicables pour obtenir le même résultat

que décrit ci-dessus.

Le revêtement décrit ci-dessus et d'autres de nature similaire ont été examinés par diverses techniques métallurgiques, analyses chimiques, microscopies à la lumière, -8- diffraction des rayons X et microscope électronique de balayage pour identifier lesconstituantset leursmorphologies La composition chimique pour le revêtement tel que déposé représentée dans la figure 3 a été déterminée en utilisant l'analyse à la microsor b d'électronique au moyen d'un appareil Etec Auto Probe avec analyseur d'énergie des rayons X du type Kevex 5100 détectant un nombre d'endroits différents pour Co, Cr et Al et calculant Y et C. On a trouvé que la coirposition chimique en poids était nominalement 51% cobalt, 36% chrome, 10% aluminium, 2,6% yttrium. Ceci montre que la poudre a bien passé au travers du dispositif de pulvérisation à l'arc plasma en déposant une composition qui résulte du rapport 80% MCrAlY et 20% Cr3C2. Bien entendu de faibles variations de pourcentages sont normalement attenduesdans la composition des compositions depoudres du revêtement MCrAlY ainsi que des variantes dans l'analyse

de la composition au moyen de la microsor &d'électronique.

Par conséquent, il doit être compris que les conclusions ici sont soumises à ces limites de précision. Il est bien connu des ces spécialistes en la matière du domaine des revêtements que la totalité de la poudre passant au travers du dispositif de pulvérisation à l'arc plasma ne se dépose pas sur le substrat et que différentes poudres ont des vitesses de dépôt différentes ou des rendements de dépôt

différents pour lesmêmes conditions de pulvérisation.

Par conséquent on doit prendre soin de faire la distinction

entre la matière qui est pulvérisée et celle qui est déposée.

Une telle distinction n'est pas toujours présents dans la

technique.

De nombreux composés étaient présents que l'on n'a pas pu caractérisé en se référant aux modèles standarëb de la

diffraction aux rayons X ou examer préliminairEs des revête-

ments MCrAlY. Par conséquent, on a estimé que le revêtement comprend des très fins carbures de métal complexes (1 à 2 microns), des carbures nonstoéchiométriqueDtet des composés etant des métastables. Des phases identifiables comme/carbures de Cr3C2 étaient présentes dans le revêtement tel que déposé comme il est montré dans la figure 3 mais en dimensions(rarermnt dépassant 12 microns) considérablement plus petites que la -9- dimension moyenne de 15 microns des particules de carbures qui avient été incorpordsdans le mélange passant au travers des dispositifs de pulvérisation. En outre, l'analyse à la microsonde a montré que seulement 5 à 10 % du revêtement tel que déposé en poids étaient constitués par du composé cristallographique Cr3C2. Le restant du chrome et du carbone doit par conséquent avoir été allié avec ou précipité dans les fins composés de la matrice de CoCrAlY. Ceci est un résultat inattendu si on tient compte de ce qui connu dans la technique qui ne semble pas décrire des systèmes de

revêtements o de tèeis interactions se produisent.

Il est vraisemblable que les régions identifiées comme étant Cr3C2 peuvent être partiellement diluées par des métaux de la matrice, au moins à leur périphérie et par conséquent par référence à une particule, le terme carbure de chrome tel qu'il est utilisé ici doit également

comprendre des composés plus complexes et dilués de Cr3C2.

L'examen du revêtement après le traitement. thermique ainsi a montré que la composition n'a pas changé mais/qu'on peut

le voir dans la figure 4, la morphologie était significati-

vement différente. Les particules qui peuvent être des carbures fins CoCr de l'ordre de 1 micron de diamètre peuvent être vues dans la matrice; du fait de leur finesse,

la composition ou structure exacte n'était pas déterminable.

Cependant, elles ont été caractérisées comme étant des carbures de métaux de transition pour autant que seulement des métaux de transition sont présents et capables de former

des carbures substantiels dans les revêtements (à l'excep-

tion de combinaisons improbables et non substantielles de Al et Y). Les carbures fins dans le revêtement non traité seront caractérisés de façon similaire. On a constaté que les zones précédemment observées comme étant Cr 3C2 ont substantiellement changées d'aspect et sont moins clairement défiribs étant donné qu'elles ont étérendues sensiblement plus petites 10 microns ou moins. On présume que ces

résultats sont dus à la diffusion et à la formation d'allia-

ges.La fluorescence aux rayons X du revêtement tel que déposé et après traitement thermique indique que le carbone est dispersé au travers du revêtement plutôt que d'être

- 10*-

entièrement concentré dans les particules de carbure de chrome. La quantité de carbone et de chrome ajoutée aux alliages du type MCrAlY de base pour produire les nouveaux alliages résistant à l'usure peut varier pour être adaptée au milieu particulier à rencontrE.Dans un but de simplicité, il est indiqué que le chrome et le carbone sont ajoutés à l'alliage de base MCrAlY en termes de Cr3C2 dont les additions sont représentatives, même si comme il est

expliqué ci-dessus, les éléments ne sont pas tous chimique-

ment combinés sous forme de Cr3C2 dans le revêtement.

On a trouvé que les revêtements utilisables étaient ceux comprenant 5 à 85 % en poids de Cr3C2. Ce domaine, lorsqu'il est combiné avec la composition de MCrAlY utiliséedans le mode de réalisation préféré, donne un revêtement avec le poids total de chrome variant entre 26 et 78%, et de carbone

entre 0,65 et 11%. Pour des faibles températures, par exem-

ple inférieures à 7500C, o des applications nlus sévères les teneurs en chrome et carbone se trouve dans la partie à forte teneur de lintervale étant donné que les phases de carbure donnent une résistance à l'usure. La limite supérieure est déterminée par la nécessité d'une matrice suffisante pour lier lescarbures ensemble et au substrat. Au-dela de la limite supérieure, le revêtement dégénérera du fait de la perte physique des carbures. Aux températures élevées, dans le domaine de 9500C, des

conditions d'usure moindre ou exigeant une ductilité supé-

rieure, la partie inférieure du domaine de composition convient. La limite inférieure est déterminée par la nécessité d'obtenir une résistance améliorée à l'usure

par rapport aux alliages habituels du type MCrAlY.

Suffisamment de carbone doit être présent pour obtenir la présence de carbure détectable qui communique la résistance à l'usure. L'yttrium est incorporé dans les revêtements

de MCrAlY pour augmenter les performances en ce qui concer-

ne l'oxydation-corrosion aux températures d'utilisation les plus élevées notamment au-delà de 950 OC. La fonction de l'yttrium dans les alliages MCrAlY a été bien définie dans la technique et la teneur en yttrium des inventions sera

- il -

par conséquent déterminée par le même critère. Etant donné que l'yttrium augmente significativement les propriétés à températures élevêes,il est admis qu 'au moins un peu d'yttrium doit être présent. Pour des applications à des températures plus basses, il est possible d' omettre

l'yttrium sans avoir d'effets nuisibles sur les performan-

ces dans les revêtements du type MCrAlY comprenant du

carbone selon l'invention.

La dureté du revêtement est mesurée par divers essais, par exemple au moyen d'un dispositif de mesure de la dureté par pénétration d'un diamant (DPH) en utilsant une charge de 300 g, donnant une largeur d'impression de 0,025 mm ou davantage donnant ainsi une dureté nominale pour la matrice. La dureté moyenne du revêtement selon l'invention peut être située entre 600 DPH jusqu'à plus de 1000 DPH en faisant varier la teneur en carbone-chrome. La dureté de la matrice obtenue par l'invention est spécialement souhaitable pour la résistance à l'usure. Les pénétrations même des régions de carbure de chrome plus dures sont donc ainsi évitées. La dureté apparente mesurée de la matrice est attribuable aux très fins carbures dispersés dans celle -ci et obtenus par l'invention. Les épaisseurs les plus convenables pour le revêtement de l'invention sont déterminées par l'application particulière envisagée et la dimension spécifiée est normalement celle d'un

revêtement qui est dans son état fini après usinage.

L'épaisseur préférée de revêtement peut se situer entre 0,013 à 0,09 cm et typiquement se trouve dans l'intervalle

de 0,020 - 0,038 cm bien que bien entendu pour des appli-

cations spéciales autres que pour les entailles Z, des revêtements plus minces de 0,0025 cm ou moins peuvent

être utilisés.

Pour obtenir une résistance à l'oxydation et à l'usure optimum ainsi qu'une adhérence optimum du revêtement sur le substrat, la densité du revêtement doit être

élevée, par exemple au moins 95% de la densité théorique.

Le revêtement montré a une densité de 98%.

La forte dureté en combinaison avec la résistance à l'oxydation et à la corrosion de l'alliage du type

- 12 -

CoCrAlY donne un revêtement ayant une structure et une combi-

naison de propriétés uniques utilisables dans un grand domai-

ne d'applications dans desmilieux destructeurs. De telles propriétés comprennent une beaucoup meilleure combinaison

d'adhérence résistarce à l'oxydation, à la corrosion et à l'usu-

re aux températures élevées que les alliages de surfaçage durs et les revêtements composites ou de cermet tel que ceux comprenant des particules de carbure de chrome dispersés

dans un liant de nickel-chrome ou d'autres alliages similai-

res. En outre, le revêtement de l'invention peut être déposé de façon économique sur les substrats par la technique de pointe de pulvérisation à l'arc plasma décrite ci-dessus

ainsi que par d'autres techniques.

On peut espérerque-erevêtement perfectionné résistant à l'usure ayant une nouvelle morphologie résulte de l'addition et du chrome du carbone aux intervalles de revêtement du type MCrAlY décris dans la technique. Ces intervalles ont été décrits précédemment en rapport avec divers brevets US cités

dans la partie introductive de la présente description et

les compositions de ces brevets sont incorporées ici par référence. (Il est également prévu/de tels perfectionnements ou raffinements de la composition du revêtement du type MCrAlY réalisés dans le future seront utilisables avec la présente invention.) Lorsque les compositions mentionnées ci -dessus, en particulier celles du brevet US No. 3 676 085 sont utilisées avec 5 à 85 % de carbure de chrome (Cr3C2),

les intervalles de composition indiqués ci-dessus sont obte-

nus. Alors que le chrome ettcarbone sont ajoutés de façon avantageuse sous forme de grains de Cr3C2, o le chrome et le carbone sont ajoutés en quantité de 87% de chrome et 13% de carbone, ils peuvent être ajoutés sous forme d'autres composés tels que des carbures complexes, souscarbures,-ou

alliages riche en carbone étant donné qu'il n'est pas néces-

saire que les particules contenant du carbone conservent entièrement intacte leur identité de particules Cr3C2

dans le revêtement pour mettre en oeuvre l'invention. Egale-

ment, les revêtements de l'invention peuvent être préparés en fabriquant un alliage-mère ayant la composition souhaitée et en le transformant en une poudre et en pulvérisant cette -13 - poudre à l'arc plasma. Des poudres ayant des dimensions de particules dans un domaine de 5 à 40 microns peuvent

être utilisées en fonction de l'installation de pulvérisa-

tion utilisée. Bien entendu d'autres moyens pour obtenir la

composition du revêtement souhaité sur l'article de super-

alliage peuvent être mis en oeuvre par ces spécialistes

dans la technique.

On peut remarquer ici que par comparaison à d'autres revêtements, le revêtement selon l'invention présente

des effets inhabituels. Tout d'abord, il existe une inter- action de la matrice MCrAlY avec les particules de carbure

de chrome pour former des structures complexes déposées.

Avec les alliages les moins complexes connus dans le passé

un tel effet n'a jamais été observé ni estimé souhaitable.

Deuxièmement, la composition de l'alliage du revêtement

diffère sensiblement de celle du brevet US No. 4 124 137.

On utilise dans la présente invention le métal de transition chrome aulieu du métal réfractaire tantale; le tantale est

un élément durcisseur alors que le chrome ne l'est pas.

Inversément, le chrome augmente la résistance à la corrosion alors que le tantale ne le fait pas. En outre, les carbures de chrome du revêtement selon l'invention sont présenb alors que dans le revêtement du brevet US No. 4 124 173 des carbures de tantale sont présents et ces carbures ont

des propriétés différentes.

Pour mieux illustrer la présente invention,les exem-

ples suivants ayant une but purement illustratifs sont offerts. Exemle 1: Un mélange de deux poudres de particules de dimensions infér:iuÉs à 44 microns, l'une en alliage de nickel-chrome comprenant 80% en poids de nickel et 20% en poids de chrome et l'autre un carbure de chrome (Cr3C2), o l'alliage de nickel-chrome constituait 12 % du mélange a été appliqué par le procédé de pulvérisation à l'arc plasma sur un substrat en superalliage de nickel. Le revêtement déposé consistait en 25% de nickelchrome et 75% de Cr3C2. L'examen par diffraction aux rayons X du revêtement a montré que les constituant nickel-chrome et Cr3C2 étaentprésentsdans le

- 14 -

revêtement déposé. Les particules de Cr3C2 étaient essen-

tiellement présentes avec la dimension des particules du mélange de départ. Etant donné qu'il est bien connu de ces spécialistes en la matière que le nickel-chrome a des propriétés de résistance à l'oxydation et à la corrosion moins favorables dans un milieu de moteur à turbine à gaz que le revêtement MCrAlY et étant donné que les particules de carbure de chrome sont présentes

en quantités habituelles dans un cermet, on pouvait s'atten-

dre que la matrice aitles propriétés limitées du nickel-

chrome est que les particules étaient susceptibles d'être

tirés hors de la matrice. On a mesuré que le revê-

tement avait une dureté de 400-700 DPH. L'examen du revête-

ment après traitement thermique à 10800C durant 4 heures ne montrait pas de changements substantielles de la morphologie du revêtement par rapport à celle telle que déposée. Néanmoins, après avoir soumis le revêtement à des essais, le revêtement soumis au traitement thermique

était inférieur au revêtement n'ayant pas subi le traite-

ment thermique, présentait une perte d'adhérence sur le

substrat, s'écafllaitet présentait une dégradation géné-

rale. Ceci sert à montrer l'avantage de l'invention par' comparaison à une matière connue dans la technique en ce qui concerne les résultats obtenus par le traitement technique.

Exemple 2:

Un mélange de poudre de particules de dimensions inférieures à 44 microns, l'une un alliage de MCrAlY comprenant 63% de cobalt, 23% de chrome, 13% d'aluminium et 0,65% d'yttrium en poids, et l'autre une poudre de carbure de chrome (Cr3C2)o l'alliage MCrAlY constituait %du mélange, était appliqué sur un substrat en alliage de nickel IN-718 en utilisant le procédé de pulvérisation à l'arc plasma. On a soumis le revêtement à un traitement thermique durant 4 heures à 10800C. On a trouvé que la composition du revêtement était nominalement 51% Co, 36% Cr, 10% Al, 2,6% C et 0,52% Y. On a mesuré la densité et on a trouvé 98% du maximum possible par dénombrement métallographique des pores et par calcul. L'examen du

- 15 -

revêtement au microscope électronique de balayage et à la sonde électronique a montré des carbures complexes

non identifiables avec des limites de grains diffus, indi-

quant une interaction de la matrice MCrAlY avec les carbures, ce qui n'était pas prévu dans l'état connu dans

la technique des revêtements matrice métallique -carbures.

Les carbures les plus petits ayant undiamètre de 1 à 2 microns étaient dispersés dans la matrice mais ne pouvaient être identifiés. La.présence de carbure dans la matrice métallique descermets est inattendue comme l'est la présence des carbures dans le revêtement de MCrAlY. La dureté était

mesurée entre 600 -700 DPH.

Exemple 3:

Onze aubes d'un troisième étage d'un moteur à turbine à gaz de haute performance ont été revêtues à

l'endroit de l'entaille Z sur la bague d'étanchéité dispo-

sée autour du sommet des aubes par un revêtement de 0,20 à 0,25 mm d'épaisseur décrits dans l'exemple 2. Les parties ont été installées dans un moteur o elles ont été exposées à des températures d'environ 9270C. Après plus de 500 heures de fonctionnement du moteur, les revêtements ne montraient aucune indication de dégradation

ou de rupture.

Exemple 4: Un revêtement ayant la composition 64% en chrome, 22,8% de cobalt, 5,2 % d'aluminium, 7,8% de carbone et 0,2% d'yttrium était appliqué aux aubes des turbines

et soumis à des tests similaires à ceux de l'exemple 3.

Une performance favorable a également été observée

Exemple 5:

Un revêtement ayant une composition de 56,8% de cobalt, 29,6% de chrome, 11,7% d'aluminium, 1, 4% de carbone et 0,6% d'yttrium était appliqué aux aubes des turbines et soumis à des essais similaires à ceux décrits dans l'exemple 3. Une performance favorable a également

été observée.

Bien entendu diverses modifications ont été apportées par l'homme de l'art aux revêtements qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples

- 16 -

non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention.

-17 -

Claims (14)

Revendications:

1. Revêtement protecteur résistant à l'usure à l'oxydation et à la corrosion pour un substrat en superalliage caractérisé en ce qu'il consiste essentielle- ment en une matrice du type MCrAlY saturé de carbone comprenant des carbures fins de métal de transition ayant des dimensions de l'ordre de 1 à 2 microns et des carbures

de chrome plus gros de l'ordre de 12 microns.

2. Revêtement selon la revendication 1, caractérisé en ce quU consiste essentiellement, exprimé en pourcents en poids, en 18-80% de chrome, 1,2 29% d'aluminium, jusqu'à 4,8 %0 d'yttrium, 0,6-11 % de carbone, le complément étant choisi dans le groupe comprenant le nickel, le cobalt et le fer et des mélanges de ceux -ci,l'alliage étant constitué par une matrice du type MCrAlY dure enrichieen carbone et contenant à la fois des carbures fins de métal de transition et des carbures de chrome plus gros.

3. Revêtement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les pourcents en poids des éléments sont 23-68 %. de chrome, 4-22 %d'aluminium, jusqu'à 4,4 % d 'yttrium, 1,5-7,8%0 de carbone, le complément étant choisi dans le groupe comprenant le nickel, le cobalt et le fer et des

mélanges de ceux-ci.

4. Revêtement selon la revendication 1 pour substrat en

superalliage à base de nickel et à base de cobalt carac-

térisé en ce que les pourcents en poids des éléments sont 36 % de chrome, 10% d'aluminium, 2,6 % de carbone, 0,5%

d'yttrium, le complément étant choisi dans le groupe com-

prenant le nickel, le cobalt, le fer ou des mélanges de ceux-ci.

5. Article revêtu consistant en un substrat métallique et caractérisé par une couche de revêtement d'un alliage

selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3.

6. Article revêtu selon la revendication 5, obtenu par pulvérisation à l'arc plasma caractérisé en ce qu'on pulvérise à la fois un mélange de poudre de MCrAlY et de Cr3C2 sur un substrat et après on chauffe le substrat pour former une soudure par diffusion entre le revêtement - 18et le substrat, le revêtement comprenant une matrice de MCrAlY saturée de carbone avec des carbures fins de métal de transition ayant des dimensions de l'ordre de 1 à 2 microns, et des carbures plus gros de Cr3C2 ayant des dimensions de

l'ordre de 12 microns.

7. Article en superalliage revêtu selon la revendication 6, caractérisé en ce que le revêtement consiste, exprimé en pourcents en poids en, 18-80 % de Cr, 1,2-29% Al, jusqu'à 4,8% Y, 0,6-11% C, le complément étant choisi dans le groupe comprenant Ni, Co, et Fe ou des mélanges de ceux-ci.

8. Revêtement selon la revendication 1, caractérisé

en ce que la matrice a une dureté DPH supérieure à 725.

9. Article selon la revendication 6, caractérisé en

ce que la matrice a une dureté DPH supérieure à 725.

10. Procédé d'applications du revêtement selon l'une

quelconque des revendications 1 à 4, ayant une résistance

à l'usure à la corrosion et à l'oxydation dans un milieu de turbine à gaz, sur un substrat en superalliage caractéidsé en ce qu'il consiste à: a) mélanger les poudres de MCrAlY avec les poudres de Cr3C2 et b) pulvériser à l'arc plasma les poudres de sorte qu'elles heurtent ou adhèrent au substrat, de sorte que le revêtement résultant consiste essentiellement en une matrice de MCrAlY avec des carbures fins ayant des dimensions de l'ordre

de 1 à 2 microns et des carbures plus gros ayant des dimen-

sions de l'odre de 10 microns, le revêtement consiste essen-

tiellement en une matrice de I4CrAlY riche en carbone et contenant des carbures fins à dimension de l'ordre de 1 à 2 microns et des carbures de chrome plus gros ayant des

dimensions de l'ordre de 12 microns.

11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le revêtement en outre consiste essentiellement exprimé en pourcents en poids, en 18-80% Cr, 1,2-29% Al, jusqu'à 4,8% Y, 0,6 à 11% C, le complément étant choisi dans

le groupe comprenant Ni, Co, Fe ou des mélanges de ceux-ci.

12. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape supplémentaire de chauffer

- 19 -

le substrat pulvérisé à l'arc plasma pour former une soudure par diffusion entre le revêtement et le substrat et en ce que la matrice de MCrAlY est saturée en carbone et des carbures fins supplémentaires sont présents dans la matrice.

13. Procédé selon l'une quelconque des revendications

ou 11, caractérisé en ce que le mélange de poudre MCrAlY avec du Cr3C2 est remplacé par un alliage-mère sous forme granulaire de MCrAlY et de C.

14. Procédé selon l'une quelconque des revendications

,11 et 12 caractérisé en ce que la matrice a une dureté

DPH supérieure à 725.