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DESCRIPTION
La présente invention concerne un procédë de réalisation d'un
apport sur une zone localisée de pièce en superalliage,
notamment destinée à des applications aêronautiques telles
qu'un moteur d'avion. Elle concerne également la pièce ainsi
obtenue ainsi que la composition de dépôt réalisé en trois
couches.
Il est connu dans de nombreuses applications d'améliorer la
durée de vie de pièces en appliquant un revêtement dans une
zone localisée de manière à améliorer les propriétés de
surface dans cette zone en fonction de sollicications ou
contacts spécifiques. Des exemples de techniques de
traitement de surface de ce type sont décrits par FR-A-2 397,
259 qui prévoit de déposer par soudure par fusion une couche ,
d'alliage rêsistant aux fissurations à l'extrémitë d'une aube
puis une couche d'un alliage dur et/ou résistant à l'oxydo
corrosion. On connaît également par FR-A-2 511 908 un procédé
d'assemblage par brasage-diffusion permettant de rapporter
sur une pièce en superalliage à base de nickel ou de cobalt
une pièce élémentaire sous forme d'ébauche pré-frittée
constituée à partir d'un mélange de deux poudres dont l'une,
dite poudre d'apport, est présente entre 5 et25% en poids du
mélange et comporte une base nickel, chrome et bore ou
nickel, cobalt, silicium et bore. Par ailleurs, selon US-A-4
705 203, un procédé de rêparation de défauts de surface de
pièces en superalliage comporte une projection à la flamme
plasma de deux couches successives de compositions
différentes, puis un traitement thermique au cours duquel
seule la première couche est fondue et ensuite la couche
superficielle est retirée.
Les techniques de fabrication décrites par FR-A-2 511 908
imposent notamment d'utiliser un mélange homogène de poudres
pour préparer un matériau fritté autobrasable utilisable pour
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réaliser un apport par brasage sur une zone localisée cie
pièce en superalliage. Dans ce cas, la température maximale
d'utilisation de la pièce en superalliage doit rester
sensiblement inférieure à la température de brasage. Un des
buts de l'invention est de réaliser par brasage un apport sur
au moins une zone localisée de pièce en superalliage de
maniêre à permettre une tempêrature d'utilisation de la pièce
en superalliage égale ou supêrieure à la température de
brasage. Ce problème provient notamment de l'utilisation de
l0 certains superalliages ne tolérant pas un cycle de traitement
thermique à une température supérieure à leur température
normale d'utilisation. C'est un problème rencontré notamment
dans certaines applications aéronautiques telles des pièces
de moteurs d'avion en alliages mono-cristallins dont un
exemple est donné par EP-A-149 942. Aucune solution
pleinement satisfaisante n'est proposée dans 1°ëtat de la.
technique.
Une pièce en superalliage du type décrit ci-dessus et
répondant de manière satisfaisante aux conditions relevées
ci-dessus est caractérisée en ce que ledit apport est
constitué de trois couches comprenant une couche externe en
un matériau déterminé pour présenter les propriétés
fonctionnelles de surface recherchées pour ladite pièce, une
couche interne en un matériau comportant des éléments
fondants et déterminé pour obtenir la fusion de ladite couche
interne puis sa sôlidification au cours d'un cycle de
traitement thermique de brasage, une couche intermédiaire
obtenue à partir d'un dépôt d'un mélange des deux dits
matériaux de couche externe et de couche interne.
Un procédé applicable à la réalisation de ladite pièce en
superalliage est caractërisé en ce que le dépôt direct des
trois couches sur la pièce est obtenu successivement par
projection à la flamme plasma et est suivi d'un cycle de
traitement thermique de brasage dont les conditions de
température et de durëe sont déterminées expérimentalement en
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fonction des matériaux utilisës.
De manière préférée, ladite projectian à la flamme plasma est
effectuée en enceinte fermée, sous pression partielle d'une
atmosphère contrôlée.
Le procédé de réalisation plus avantageux, notamment lorsque
l'emplacement de la zone localisée de pièce à revêtir induit
des problèmes d'accessibilité et/ou lorsque la délimitation
de ladite zone conduit à des pertes de poudre lors de la
projection, est caractërisë par les êtapes successives
suivantes
- (a) projection à 1a flamme plasma sur un support en
matériau métallique, successivement, desdites trois couches à
partir de trois poudres ayant lesdites compositions
respectives dëterminëes et dans l'ordre suivant . couche.
externe au contact du support, couche intermédiaire puis
couche interne ;
- (b) enlèvement du dêpôt obtenu à l'étape (a) constituant un
matériau autobrasable à structure stratifiée dudit support en
mettant en oeuvre un procédé connu en soi et n'introduisant
pas de contrainte mécanique dans l'élément obtenu ;
- (c) découpe d'une pièce de forme dans le dépôt obtenu à
l'étape (b) ayant la forme correspondant à la zone localisée
de pièce à revêtir, en mettant en oeuvre un procédé également
connu en soi et n'introduisant pas de contrainte mécanique
dans la pièce de forme obtenue ;
- (d) mise en place de 1a pièce de forme obtenue à l' étape
(c) sur la zone localisée de pièce en superalliage à revêtir
selon des techniques de réalisation connues en soi et
réalisation d'un cycle de traitement thermique de brasage
suivant des conditions de température et de durée connues en
soi ou dëterminées expérimentalement en fonction des
matériaux utilisés.
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D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront
mieux compris à la lecture de la description qui va suivre
d'un mode de réalisation de l'invention, en référence aux
dessins annexés sur lesquels
- la figure 1 représente une vue schématique, suivant une
coupe par un plan perpendiculaire à sa surface, d'un support
sur lequel est appliqué un apport en trois couches conforme à
l'invention ;
- la figure 2 représente selon une vue analogue à celle de la
figure 1 ledit apport séparé du support suivant une préforme
en matêriau autobrasable à structure stratifié ;
- la figure 3 représente une vue schématique d'une pièce en
superalliage sur laquelle est placée la préforme représentée
à la figure 2, conformément à l'invention.
Le procédé de réalisation conforme à l'invention d'un apport
sur au moins une zone localisée de pièce en superalliage
comporte les étapes suivantes
- (a) sur un support métallique 1, tel que représenté sur la
figure 1, on projette à la flamme plasma successivement trois
couches de dépôt, à savoir une couche 2 déposée directement
sur le support 1 à partir d'une poudre dont la composition
permet d'obtenir -~un matériau dont les propriétés
correspondent aux propriétés fonctionnelles de surface
recherchées pour la pièce à revêtir, puis une couche
intermédiaire 3 obtenue à partir d'un mélange des poudres
servant à réaliser les deux autres couches et enfin une
couche 4 obtenue à partir d'une poudre dont le matériau
çonstitutif comporte des éléments fondants et correspond à un
alliage de brasage ;
- (b) on sépare ensuite l'apport obtenu 5 de son support 1 en
mettant en oeuvre un procédé d'enlèvement qui n'introduit pas
de contrainte mécanique dans l'apport 5 ;
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- (c) dans ledit apport 5, on découpe ensuite au moins une
pièce de forme ou préforme 6 telle que schématisée sur la
figure 2 et dont les contours correspondent à la géométrie de
la zone localisée de pièce à revetir, le procédé connu en soi ,
mis en oeuvre n'introduisant également pas de contrainte "
mécanique dans la préforme 6 ;
- (d) la préforme 6 qui. a été obtenue est ensuite mise en
place sur la zone localisée de la pièce à revêtir puis on
réalise un cycle de traitement thermique de brasage des
pièces.
Le choix du support métallique 1 est effectué afin d'éviter
l'apparition de contraintes internes dans les dépôts qui
seraient à l'origine de phénomènes de décollement.
EXEMPLE A
Une couche 2 peut être déposée à partir d'une poudre ayant
les propriétés suivantes
- granulométrie inférieure à 45 ~,m
- composition chimique en pourcentages pondéraux
Ni . 31-33 ; cr . 20-22 ; A1 . 7-9 ; Y . 0, 35-0, 65 et Co
complément à 100
L' épaisseur déposée est de 1 mm et le taux de porosité dans
la couche est inférieur à 3 ~ . le dépôt obtenu présente dans
ce cas des propriétës anti-oxydation remarquables.
L'épaisseur de la couche 3 déposée est de 0,10 mm. Comme
précédemment indiqué, la poudre projetée est composée d'un
mélange des poudres respectivement utilisées pour obtenir les
couches 2 et 4. Le dépôt est obtenu en plusieurs passes en
effectuant d'une passe à l'autre une variation progressive de
la composition, allant de la composition de la couche 2 à la
composition de la couche 4.
La couche 4 a une épaisseur de 0,05 mm et est déposée à
partir d'une poudre d'alliage de brasage ayant les propriétés
suivantes
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- granulométrie nominale : 125 ~,m,
- composition chimique en pourcentages pondéraux des éléments
principaux
Cr : 14-16 ; B : 3,2-4,0 ; Ni complément à 100
- point de fusion : 1055°C
De manière préférentielle, la projection à la flamme plasma
est réalisée sous pression partielle, de l'ordre de 104Pa,
d'un gaz neutre protecteur tel que argon.
Les conditions de réalisation de l'opération de brasage sont
dans ce cas un maintien de quatre heures à 1100°C.
Des mesures par analyse thermique différentielle ont permis
de dêterminer la température de refusion dans la zone brasée
et on obtient une température de solidus de 1300°C et de
liquidus de 1340°C.
EXEMPLE B
Lorsque des propriëtés d'ami-usure sont recherchées à la
surface de pièce, un alliage à base de cobalt peut être
utilisë pour constituer la couche 2, par exemple, en
utilïsant une poudre ayant les propriétés suivantes
- granulométrie nominale : inférieure à 53 ~cm,
- composition chimi-que en pourcentages pondéraux de
principaux éléments
Cr : 24,5-26,5 ; Ni . 9,5-11,5 ; Mo : 6,5-8,0 ;
C : 0,43-0,55 et Co = complément à 100
L'épaisseur dêposée est de 1 mm et le taux de porosité dans
la couche infërieur à 3%.
Parmi les procédés connus adaptés à l'enlèvement de l'apport
5 de son support 1, à l'étape (b) du procédé, on peut
utiliser le découpage par électroérosion avec fil, ce qui
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permet une réutilisation du support 1 ou une dissolution
chimique du support 1.
Les procédés de découpe connus, adaptés notamment aux
épaisseurs mises en oeuvre et utilisés à l'étape (c) du
procédé, comprennent la découpe au LASER, la découpe au jet
d'eau et la découpe par électro-érosion avec fil.
Lors de la mise en place sur la zone localisée de pièce à
revêtir de la préforme 6, à l'étape (d) du procédé, la couche
4 constituée par l'alliage de brasage doit être mise au
contact de ladite pièce 7 à revêtir, telle que représentée
sur la figure 3.
Les conditions de réalisation du traitement thermique de
brasage, à l'étape (d) du procédé, notamment les.
températures, les durêes du cycle et l'atmosphère, sont
connues en soi pour les matériaux utilisés ou sont
déterminées expérimentalement en fonction de ces matériaux.
Dans la struture de l'apport obtenu sur la pièce 7 revêtue,
la couche 4 fusionne au début du cycle de brasage puis se
solidifie par suite de la diffusion des éléments fondants,
principalement dans la couche 3. Ladite couche 3 est
homogénéisée par la diffusion entre les éléments provenant de
la couche 2 et les éléments fondants provenant de la couche
4. Au cours du cycle de brasage et notamment dans les zones
proches de la couche 4, des phases liquides transitoires
peuvent apparaître. La couçhe 2 conserve une structure très
proche de celle qui est obtenue après projection à l'étape
(a) du procédé.
Les avantages principaux de la structure obtenue de l'apport
sur la pièce 7 revêtue, conforme à l'invention sont, d'une
part, d'obtenir les propriëtés spécifiques fonctionnelles de
surface recherchêes telles que l'ami-oxydation dans
l'exemple A et l'ami-usure dans l'exemple B décrits ci-
dessus, au niveau de la couche externe 2 de la pièce 7 et,
d'autre part, d'assurer à la couche interne 4 une température
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de refusion plus élevée que la température atteinte lors du
cycle de traitement thermique de brasage à l'étape (d) du
procédé, ce qui permet une température d'utilisation de la
pièce 7 supërieure à ladite température de brasage.
Ces avantages peuvent notamment être intéressants pour la
réalisation d'opérations de réparations sur lesdites pièces
en superalliage.
Le procédé de réalisation conforme à l'invention qui vient
d'être décrit en référence aux figures 1 à 3 est notamment
avantageux pour des applications oü la zone localisée de
pièce à revêtir prësente des difficultés d'accès, notamment
pour la rëalisation d'une projection directe d'un dépôt à la
flamme plasma ou encore, lorsque la géométrie particulière de
ladite zone conduit à des pertes importantes de poudre,
notamment sur les zones de bords de pièce, ëgalement lors
d'une projection directe.
La figure 3 représentant une zone à revêtir au sommet 8 d'une
pièce 7 qui est une aube de turbine, fournit un exemple où la
réalisation précédemment dëcrite permet d'importantes
économies de poudre.
Toutefois, dans les applications où à la fois la surface à
couvrir est importante et une bonne accessibilité permet une
projection directé, l'invention peut être .réalisée par
projection directe à la flamme plasma des trois couches
successives sur la pièce à revêtir, suivie de l'opération de
brasage.
