BE896684A - Procede de depot d'un revetement de poudre abrasive sur un substrat - Google Patents

Description

  Procédé de dépôt d'un revêtement de poudre abrasive sur un substrat. 

  
La présente invention concerne un procédé où

  
on utilise un chalumeau à arc plasma pour déposer

  
une poudre abrasive sur un substrat. L'invention concerne également les articles enduits obtenus par la mise en oeuvre de ce procédé. Les principes ont été développés dans le domaine d'un moteur à turbine à gaz pour l'application de revêtements abrasifs à des éléments

  
employés dans cette industrie mais ont des possibilités d'applications plus larges à des éléments et structurés dans d'autres industries.

  
Des matières de poudre abrasive sont utilisées dans l'industrie desmoteurs à turbine à gaz pour communiquer des propriétés abrasives à une ou deux surfaces opposées qui sont susceptibles de venir en contact par frottement. On cherche à éviter une interférence destructrice au contact entre les deux surfaces en permettant à la surface abrasive de couper proprement dans la matière de la surface opposée jusqu'à ce qu'un mouvement non interférent en résulte.

  
La technique ci-dessus est appliquée,par exemple  aux joints dans le parcours des gaz entre les étages

  
entre les assemblages de rotor et de stator. A la fois les joints du diamètre interne et du diamètre externe

  
peuvent utiliser ces principes. Aux joints du diamètre externe les sommets des pales de rotor sont pourvus de propriétés abrasives de sorte que pendant les mouvements du rotoravec dilatation relative supérieure à celle du stator qui l'entoure , les pales de rotor coupent proprement dans le bandage opposé. Dès que les joints ont été coupés , un jeu minimum ou nul est établi au point du mouvement maximum du rotor. Des mouvements ultérieurs n' usent pas des quantités supplémentaires de matière. Des procédés représentatifs connus dans la technique de fabrication de pales de

  
rotor à extrémité abrasive sont décrits dans les brevets US No. 3 922 207 et 4 169 020. 

  
Similairement, des revêtements abrasifs sont

  
 <EMI ID=1.1> 

  
labyrinthe à l'intérieur d'un moteur. Le brevet US No.

  
4 148 494 est un exemple représentatif d'une telle structure.

  
Etant donné que la nécessité d'utiliser des revêtements de poudre abrasive dans l'industrie des moteurs à turbine à gaz a augmenté, les scientifiques et les ingénieurs dans cette industrie ont cherché des structures encore améliorées et des techniques de dépôt perfectionnées, en particulier des techniques capables

  
de maintenir les angles des particules de poudre abrasive et une bonne adhérence à la surface sur laquelle les particules sont disposées.

  
Selon la présente invention des particules de poudre abrasive et de matière de matrice pour faire adhérer ces particules de poudre abrasive à la surface d'un substrat sont co-déposées à la surface du substrat

  
en un procédé où la matière de matrice métallique et

  
les particules de poudre abrasive heurtent simultanément la surface du substrat.

  
Selon un procédé détaillé de dépôt d'un revêtement, un courant de gaz plasma est créé dans un chalumeau à

  
arc plasma, des particules de matrice métallique sont injectée dans le courant de plasma, les particules de poudre abrasive sont ensuite injectées dans ce courant

  
au point de contact du courant avec la surface du substrat à enduire et le chalumeau se déplace le long de la surface du substrat.

  
Une caractéristique principale du procédé de co-dépôt est le contact simultané des particules de poudre abrasive avec la matière de matrice chauffée réalisé par le courant de plasma à la surface du substrat à enduire. Des poudres de matière de matrice métallique sont injectées dans le courant de plasma à un endroit écarté de la surface à enduire et les particules de poudre abrasive sont injectées dans le courant de plasma à un endroit plus près du substrat à enduire que le point d'injection des particules de matrice . Les particules

  
de poudre abrasive injectées dans le courant viennent

  
en contact avec la matière de matrice métallique à la surface à enduire. Dans un appareil détaillé , le dispositif d'injection de poudre abrasive et le dispositif d'injection de matrice sont orientés selon un angle de

  
180[deg.] de part et d'autre du périmètre du courant de plasma.

  
Un avantage principal de la présente invention est la capacité de déposer des revêtements économiques avec une bonne adhérence et en conservant les angles

  
 <EMI ID=2.1> 

  
est obtenue en piégeant les particules de poudre abrasive dans la matière de matrice métallique en fusion lorsque cette matière de matrice métallique se solidifie à la surface du substrat enduit. Les angles des particules

  
de poudre abrasive sont bien conservés en évitant un contact prolongé des particules de poudre abrasive

  
avec la partie à haute température du courant de plasma.

  
Le procédé de dépôt a une bonne flexibilité en ce qu'il est capable de déposer les particules de poudre abrasive de dimensions variables et en ce qu'il est capable d'utiliser des matières de matrice ayant des propriétés variant largement. Une bonne propriété abrasive du revêtement

  
est maintenue pendant la durée du procédé d'application. Les particules de poudre abrasive peuvent être déposées

  
au travers de toute l'épaisseur du revêtement ou simplement à la surface en retardant l'injection de poudre abrasive d'une ou plusieurs passes sur le substrat

  
à enduire . Le procédé de revêtement décrit convient bien pour la remise à neuf d'éléments enduits après une première utilisation. Le procédé peut être utilisé

  
pour appliquer des revêtements abrasifs aux surfaces

  
de géométrie complexe.

  
Pour que l'invention puisse être mieux comprise, référence est faite aux figures suivantes où :
La figure 1 est une vue en élévation de côté,  simplifiée d'une partie d'un moteur à turbine à gaz comprenant des sections partiellement éclatées pour révéler des éléments opposés d'assemblage de stator et de rotor.

   La figure 2 est une représentation simplifiée d'un sommet de pale de rotor comprenant un revêtement abrasif  la figure 3 est une représentation simplifiée d'une partie d'un tambour d'assemblage de rotor comprenant un revêtement abrasif; la figure 4 est une représentation simplifiée d'une partie de tranchant d'un joint du type labyrinthe comprenant un revêtement abrasif; la figure 5 est une représentation simplifiée d'un dispositif de pulvérisation à arc plasma déposant un revêtement abrasif- selon le principe de la présente invention; la figure 6 est une vue agrandie représentant l'impact simultané des particules de poudre abrasive avec les particules de matrice à la surface du substrat à enduire; la figure 7 est une vue en coupe prise le long de la figure 6;

   la figure 8 est une photographie en coupe
(grossissement 100 fois) d'un revêtement abrasif appliqué au sommet d'une pale de rotor selon les paramètres de l'exemple 1; et la figure 9 est une photographie en coupe
(grossissement 200 fois) d'un revêtement abrasif appliqué à un tranchant de joint du type labyrinthe selon les paramètres de l'exemple 2.

  
Des revêtements appliqués par le procédé

  
selon la présente invention ont une utilité dans l'industrie des moteurs à turbine à gaz. La figure 1 est une représentation en coupe simplifiée d'une partie d'une section d'un compresseur d'un moteur réalisé dans cette industrie. Un assemblage de rotor 12 s'étend axialement

  
au travers du moteur et est entouré par un assemblage

  
de stator 14 . Un parcours de gaz 16 pour le milieu

  
de travail s'étend axialement au travers du moteur.

  
Des rangées de pales de rotor , représentées par les

  
pales 18, s'étendent vers l'extérieur à partir d'un tambour de rotor 20 au travers des parcours de gaz 16.

  
Des rangées d'aubes de stator, représentées par les aubes

  
22, sont disposées en porte--à-faux vers l'intérieur à partir de l'enceinte 24 du moteur au travers du parcours de

  
gaz. Un joint externe 26 entoure chaque rangée de pale

  
de rotor 18. Un joint interne 28 est formé par le

  
tambour de rotor 20 à l'intérieur de chaque rangée d'aubes

  
22. Des revêtements abrasifs sont appliqués, par exemple

  
à l'interface entre les sommets des pales de rotor 18 et

  
le joint externe ou à l'interface entre les sommets d'aubes
22 et le joint interne 28. L'élimination de l'interférence destructrice à de tels interfaces se produisant lors des

  
 <EMI ID=3.1> 

  
est- recherchée. La réalisation d'un revêtement abrasif

  
sur l'une de ces surfaces opposées use proprement la matière de la surface correspondante sans détruire l'intégrité structurelle des deux parties.

  
La structure de compresseur de la figure 1 représente les éléments auxquels les revêtements abrasifs peuvent être appliqués c'est-à-dire les sommets des pales de rotor 18 et les joints internes 28 du rotor. De tels éléments et leur revêtements sont représentés dans les figures 2 et 3 respectivement. D'autres applications peuvent comprendre la surface solide de contact 30 d'un joint
32 du type en chenal tel que celui représenté dans la figure 1 où le bord tranchant, figure 4 , d'un joint du type à labyrinthe. Selon un mode de réalisation détaillé,de tels revêtements abrasifs ont une utilité particulière lorsqu'ils sont utilisés simultanément avec des éléments fabriqués en alliage de titane. La chaleur de réaction importante libérée lors de l'oxydation de tels alliages rend les éléments susceptibles de s'enflammer lorsque se

  
 <EMI ID=4.1> 

  
sur l'un de ces éléments par frottement découpe la matière de l'élément opposé sans créer, des contraintes thermiques excessives.

  
Un procédé pour appliquer les revêtements abrasifs selon la présente invention est représenté dans la figure 5. Un courant 34 de, gaz plasma est formé au moyen d'un générateur 36 de plasma et est déchargé vers la surface du substrat 38 à enduire. Des particules

  
40 de matière de matrice sont injectées dans le courant

  
de plasma à un endroit éloigné de la surface du substrat et sont plastifiéesou fonduesdans le courant de plasma. Des particules 42 de matière de poudre abrasive sont injectées dans le courant de plasma très près de la surface du substrat. A la fois les particules de poudre abrasive et les particules de matrice sont, de préférence, injectées parallèlement à la direction du vecteur de mouvement du chalumeau vers le substrat. Le rapport de masse

  
de matière de matrice à particules de poudre abrasive

  
peut varier largement. Des rapports entre 1:1 et 100:1 sont typiques. Dans au moins un procédé détaillé, les particules de matrice et les particules de poudre abrasive sont injectées dans le courant de plasma à des endroits relatifs autour du périmètre du courant de plasma qui sont approximativement à 180[deg.] l'un de l'autre. Dans un autre procédé détaillé , les particules de matrice et les particules de poudre abrasive sont injectéesdans le courant de plasma depuis des directions sensiblement perpendiculaires à l'axe A du courant de plasma. Le revêtement de plasma pulvérisé est refroidi au substrat par des jets de refroidissement 44 qui émanent de buses 46 sur les côtés opposés du chalumeau à arc plasma. Les jets 44 sont dirigés

  
dans l'illustration de façon à intersecter en un point

  
P au-dessus de la surface du substrat.

  
Les distances entre le point d'injection

  
des particules de matrice et le point d'injection

  
de particules de poudre abrasive et la surface du substrat sont des facteurs importants pour l'application avec succès du revêtement abrasif. En principe, le point d'injection des particules de matrice doit être écarté d'une distance suffisante du substrat pour permettre

  
un ramollissement ou une fusion des particules dans le courant de plasma. Le point d'injection des particules

  
de poudre abrasive doit être suffisamment proche

  
du substrat de façon à permettre que la poudre abrasive soit piégée dans la matière de matrice à la surface des substrats sans fusion des bords tranchants angulaires

  
de la poudre abrasive. En outre, la position du point d'injection des particules de poudre abrasive proche

  
du substrat réduit au minimum l'accélération des particules de poudre abrasive par le courant de plasma et réduit

  
la tendance des poudres abrasives à rebondir du substrat avant qu'elle ne salent piégés:; par la matrice. Les positions réelles des points d'injection de la poudre abrasive et

  
 <EMI ID=5.1> 

  
et de la dimension des particules de matière choisies

  
Un autre point important considéré pour la localisation du point d'injection de la poudre abrasive est l'effet de cette localisation sur l'incidence

  
entre les particules de matrice et les particules de poudre abrasive. Le point optimum d'incidence se produit

  
à la surface du substrat. Le contact simultané des particules de poudre abrasive avec les particules de matrice à la surface du substrat est souhaité. L'incidence des particules de poudre abrasive avec la matière de matrice au-dessus de la surface du substrat résulte en un refroidissement prématuré de la matrice et en un faible rapport de rétention des particules de poudre abrasive par la Matrice étant donné que seulement une matière de matrice en fusion ou plastifiée se déposera à la surface. En outre, un contact prolongé des particules de poudre abrasive avec le gaz plasma de haute température peut réduire les angles des bords tranchants des particules de poudre abrasive.

  
Un autre facteur pour obtenir une probabilité élevée de piégeage desparticules de poudre abrasive est l'angle d'injection des particules dans le courant de

  
 <EMI ID=6.1> 

  
de sorte que le temps de séjour de particules à proximité du substrat soit porté au maximum. Des particules injectées dans la direction en aval ont une tendance accrue de rebondir du substrat; des particules injectées dans la direction en amont sont finalement accélérées par le courant de plasma et ont également tendance à rebondir du substrat.

  
Des séries multiples de revêtements ont été réalisées avec une grande variété de choix de matières

  
et de paramètres d'application. Les exemples montrés cidessous sont représentatifs de la plupart des séries réalisées avec succès.

Exemple I

  
Le sommet d'une pale de rotor de compresseur tel que la pale 18 représentée dans la figure 2 a été enduit d'une épaisseur de l'ordre de 0,25 mm en une seule passe du chalumeau à arc plasma le long du sommet de la pale. Les paramètres de la pulvérisation de plasma étaient comme suit:

  
Chalumeau à arc plasma -- chalumeau Metco 7 M avec buse du

  
type G

  

 <EMI ID=7.1> 
 

  

 <EMI ID=8.1> 
 

  

 <EMI ID=9.1> 

Exemple II

  
Le bord tranchant d'un joint du type labyrinthe tel que le bord tranchant représenté dans la figure 4 a été enduit d'une épaisseur de l'ordre de 0,25 mm en une seule passe du chalumeau à arc plasma le long du substrat.Le paramètre de pulvérisation du plasma était comme suit :

  

 <EMI ID=10.1> 
 

  

 <EMI ID=11.1> 


  
La vue en coupe de la figure 7 montre un principe important du revêtement pour des substrats très étroits, en particulier des sommets de pales de compresseur qui peuvent être enduits selon les paramètres de l'exemple 1 où des tranchants peuvent être enduits selon les paramètres de l'exemple 2. Les sommets de pales

  
de compression typiques peuvent être aussi étroits que O,Olmm; les tranchants sont typiquement effilés jusqu'à une largeur de 0,25 mm . Il est à remarquer que le substrat étroit 38à enduire dans la figure 7 est décalé d'une distance X de l'axe A du courant de plasma. En pulvérisant de la matière abrasive on a découvert empiriquement

  
qu'une zone hautement érosive précisément à l'axe A du courant de plasma empêche la formation de la matière de revêtement dans cette région. Le décalage du substrat

  
de la zone érosive à cet axe augmente grandement le taux selon lequel les particules de poudres abrasives

  
piégées s'accumulent sur le substrat .

  
Bien entendu diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au procédé et articlesobtenus qui viennent d'être décrits uniquement

  
à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre

  
de l'invention. 

  
Revendications:

  
1. Procédé pour appliquer un revêtement de

  
poudre abrasive au moyen d'un chalumeau à arc plasma

  
sur un substrat caractérisé en ce qu'il comporte les

  
étapes de : créer un courant de plasma de haute température; injecter des particules de matières de matrice dans le courant de plasma; injecter des particules de poudre abrasive dans le courant de plasma à un endroit en aval

  
de l'endroit où ces particules de matière de matrice sont injectées et à une distance du substrat à enduire tels que les particules de matrice et les particules de poudre abrasive viennent simultanément en contact avec la .surface

  
 <EMI ID=12.1> 

  
déplacer le chalumeau de pulvérisation à arc plasma le long du substrat à enduire.

Claims (1)

1. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ces particules de matrice et ces particules

   de poudre abrasive sont injectées dans le courant de plasma à des endroits relatifs qui sont approximativement de 180[deg.]de part et d'autre de la circonférence du courant de plasma.

   3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la direction d'injection desparticules de

   matrice et la direction d'injection des particules de poudre abrasive sont parallèles au vecteur de mouvement

   du chalumeau le long du substrat, la direction d'injection des particules abrasives étant dans la direction du

   vecteur du mouvement du chalumeau.

   4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on injecte ces particules de matrice et de poudre abrasive dans le courant de

   plasma à partir d'une direction sensiblement perpendiculaire à la direction de mouvement du courant de plasma.

   5. Procédé pour déposer un revêtement abrasif

   sur un substrat caractérÈé en ce qu'il comprend l'étape d'injecter des particules de poudre abrasive dans un courant de plasma contenant des particules entraînées de matière

   de matrice à un endroit proche de la surface du substrat

   à enduire de sorte que les angles des particules de

   poudre abrasive sont préservés par un contact limité

   avec le courant de plasma.

   6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que les particules de poudre abrasive et de matrice sont amenées en un premier contact à la surface du substrat à enduire de sorte que les surfaces angulaires des particules de poudre abrasive sont libres de revêtement de matière de matrice lors du dépôt sur la surface du substrat.

   7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le rapport de masse

   de matière de matrice en fusion aux particules de poudre abrasive déposées se situe dans l'intervalle de 1:1 à 100:1.

   8. Procédé selon la revendication 5, caractérisé

   à ce que les particules de poudre abrasive sont injectées dans le courant de plasma à un endroit entre environ <EMI ID=13.1>

   9. Procédé pour appliquer un revêtement contenant une poudre abrasive par des techniques de pulvérisation

   à l'arc plasma sur un substrat étroit caractérisé par le perfectionnement consistant à décaler le substrat étroit de l'axe du courant de plasma pendant l'application

   du revêtement pour éviter les zones érosives à l'endroit de l'axe de plasma pulvérisé.

   10. Article enduit obtenu par la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.