EP0067746A1 - Joint susceptible d'être usé par abrasion et son procédé de réalisation - Google Patents

Joint susceptible d'être usé par abrasion et son procédé de réalisation Download PDF

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EP0067746A1
EP0067746A1 EP82400966A EP82400966A EP0067746A1 EP 0067746 A1 EP0067746 A1 EP 0067746A1 EP 82400966 A EP82400966 A EP 82400966A EP 82400966 A EP82400966 A EP 82400966A EP 0067746 A1 EP0067746 A1 EP 0067746A1
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Abstract

Joint susceptible d'être usé par abrasion à disposer en contact avec une zone de rotor d'une machine tournante et du genre constitué par une dispersion de microbilles creuses dans un liant assurant la cohésion des microbilles entre elles et leur liaison avec un support métallique. En vue notamment de permettre la réalisation dudit joint par projection à la torche d'un mélange pulvérulent sur le support, le dit joint est caractérisé en ce que les microbilles creuses (32) sont en un matériau inorganique réfractaire et en ce que le matériau du liant (33) est un matériau métallique sensiblement plus fusible que le matériau des microbilles. L'invention convient notamment à la réalisation de joints susceptibles d'être usés par abrasion pour étages de turbo-machines.

Description

  • L'invention concerne un joint susceptible d'être usé par abrasion à disposer en contact avec une zone de rotor de machine tournante pour obtenir une étanchéité relative. On place notamment de tels joints autour des aubages mobiles d'étages de rotor de turbomachines axiales afin d'éliminer les fuites d'air ou de gaz qui peuvent affecter le rendement de ces étages.
  • Le joint de l'invention est du genre constitué par une dispersion de microbilles creuses dans un liant assurant la cohésion des microbilles entre elles et leur liaison avec un support métallique (qui est par exemple un anneau de la machine). L'invention concerne aussi le procédé de réalisation de ce joint et le mélange pulvérulent utilisé pour la mise en oeuvre de ce procédé.
  • Le brevet français 1 565 344 décrit un joint susceptible d'être usé par abrasion du genre précité dans lequel les microbilles creuses sont en un alliage d'aluminium avec au moins un métal du groupe du fer, du nickel et du cobalt tandis que le liant est avantageusement une brasure contenant au moins un métal du groupe constitué par le cuivre, le nickel et l'argent. Si l'on fait abstraction du procédé de préparation des microbilles, le joint est par exemple réalisé en déposant un mélange de microbilles et d'une poudre d'alliage du liant sur le support (qui peut comprendre une armature en nids d'abeilles dont les alvéoles sont remplis par le mélange) et en chauffant l'ensemble à une température convenable.
    • - que la nécessité d'utiliser pour les microbilles un matériau que la brasure puisse mouiller et celle d'utiliser une brasure sensiblement plus fusible que les microbilles et que le support limitent étroitement la gamme des alliages utilisables et par conséquent les possibilités d'emploi du joint ;
    • - que ces contraintes dans le choix des matériaux interdisent de soumettre le support, après application du joint, à des traitements thermiques (par exemple de recuit ou de détensionnement) tels qu'ils risqueraient de provoquer la fusion de la brasure ;
    • - que, cependant, la fabrication du joint impose le chauffage du support et son maintien à des températures précises dans une atmosphère de composition contrôlée ; le brevet précité indique en effet que les microbilles ne supportent pas la projection à la torche (flamme) et que ce procédé ne convient pas pour la réalisation du joint.
  • L'invention permet par contre de réaliser des joints du genre précité qui présentent les avantages suivants :
    • - les matériaux des microbilles creuses et du liant peuvent être choisis dans une gamme de compositions étendue et variée, de telle sorte que les caractéristiques du joint peuvent être facilement adaptées aux conditions de service imposées,
    • - plus précisément, le liant peut avoir une composition compatible avec celle du support (ils peuvent être par exemple tous deux en alliages à base de fer et/ou de nickel, et/ou de cobalt, avec ou sans chrome) et dans ces conditions des traitements thermiques divers peuvent être appliqués au support sans que le liant en souffre,
    • - enfin la fabrication dudit joint est aisée et rapide.
  • L'invention repose sur la constatation que l'on dispose maintenant dans le commerce de microbilles creuses en matériaux réfractaires capables de subir sans déformation ni fragmentation notables les contraintes mécaniques engendrées par une projection à la torche (chalumeau à plasma ou pistolet oxy-acétylénique).
  • Le joint susceptible d'être usé par abrasion de l'invention, constitué ainsi qu'on l'a déjà indiqué par une dispersion de microbilles creuses dans un liant métallique solidaire d'un support métallique, est essentiellement caractérisé en ce que les microbilles creuses sont en un matériau inorganique réfractaire dont la température de début de fusion est sensiblement plus élevée que les températures de début de fusion du matériau du support et du matériau du liant. On entend ici par liant métallique un liant en alliage métallique'ou en composé intermétal- lique.
  • Avantageusement, le matériau du liant peut comporter les mêmes composants de base que l'alliage constituant le support.
  • Le procédé de l'invention pour la réalisation d'un joint susceptible d'être usé par abrasion conforme à l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend les phases essentielles suivantes :
    • - préparation d'un mélange homogène en proportions convenables d'une poudre constituée par les microbilles creuses et d'une poudre de grains métalliques ayant la composition désirée pour le liant,
    • - projection à la torche dudit mélange sur le support, dans des conditions opératoires telles que la liaison des grains métalliques entre eux, avec les microbilles et avec le support est réalisée sans déformation ou fragmentation notables des microbilles creuses.
  • On entend ici par microbilles creuses des sphérules creuses dont le diamètre ne dépasse pas 200 microns.
  • D'autres dispositions de l'invention et les avantages qui en résultent apparaîtront dans la description qui suit d'exemples de réalisation d'un joint susceptible d'être usé par abrasion conforme à l'invention, en référence aux dessins annexés dans lesquels :
    • - la figure 1 est un schéma succint d'un appareillage de fabrication du joint susceptible d'être usé par abrasion de l'invention,
    • - la figure 2 est une section agrandie du joint réalisé.
  • La figure 1 représente en fait une installation de projection de poudre par plasma du genre connu. Seuls les éléments essentiels sont représentés. Des flèches empennées montrent le sens de circulation de la poudre à projeter et des flèches non empennées montrent le sens de circulation du ou des gaz. La figure 1 ne montre pas, par exemple, les organes de commande automatique, les vibrateurs, etc... qui peuvent équiper un tel appareillage.
  • Le dispositif d'alimentation 10 comprend :
    • - un réservoir de poudre 11 qui contient le mélange 12 de la poudre de microbilles et de la poudre de grains d'alliage de la matrice et dont le débit est réglable au moyen d'une vanne 13,
    • - un réservoir de gaz de fluidisation 14 (ce gaz étant par exemple de l'argon) dont le débit est réglable au moyen d'une vanne 15,
    • - une chambre de fluidisation 16 qui délivre par une tubulure 17 une suspension du mélange pulvérulent dans le gaz.
  • La torche à plasma 20 comprend :
    • - une tubulure 21 d'amenée de gaz de projection (par exemple de l'argon),
    • - deux électrodes cylindriques concentriques 22 et 23 qui sont portées à une différence de potentiel élevée au moyen de conducteurs 24 et 25 connectés à une source de haute tension continue non représentée et qui délimitent une veine annulaire 26 dans laquelle se forme le plasma,
    • - enfin une buse de projection 27 alimentée en plasma par la veine 26 et en mélange fluidisé par la tubulure 17.
  • Le support 31 du joint à former est fixé à une pièce de maintien 28 qui symbolise les éléments de fixation et d'entraînement, tels que platines, rouleaux, etc... qui permettent d'imprimer au support 31, en coopération avec des moyens de commande associés à la torche 20 et non .représentés, tous les mouvements relatifs de translation ou de rotation nécessités par l'exécution du joint.
  • On remarquera que l'installation de la figure 1 peut être très facilement automatisée. En outre, si la nature des matériaux du joint le permet, la torche à plasma 20 peut être remplacée par tout autre moyen de projection à chaud tel qu'un pistolet oxy-acétylénique.
  • La figure 2 illustre la structure du joint obtenu. La matrice 33 constituée par le liant adhère intimement au support métallique.31 et fixe les microbilles creuses 32. Les dimensions de celles-ci ont été très exagérées par rapport à l'épaisseur du joint lui-même fortement agrandi.
  • On donne maintenant quelques indications sur les caractéristiques de la poudre destinée à former le liant et sur les caractéristiques des microbilles.
  • Il est avantageux mais non impératif d'utiliser si possible une poudre de liant de composition voisine de celle du matériau du support de joint (anneau de machine par exemple) afin d'obtenir une matrice de liant en liaison intime avec ce support et dotée d'un même coefficient de dilatation thermique. On évite ainsi les contraintes différentielles et les déformations différentielles d'origine thermique. C'est ainsi que, dans un turboréacteur, le matériau métallique de la poudre de liant peut-être, en allant de l'étage BP du compresseur à l'étage HP de la turbine :
    • - de l'aluminium pur ou un alliage d'aluminium,
    • - puis un alliage nickel-chrome, nickel-chrome-aluminium ou nickel-aluminium,
    • - puis un alliage cobalt-chrome-aluminium-yttrium ou nickel-chrome-aluminium-yttrium,
    • - enfin, une céramique métallique du genre du zirconate de magnésium, ou tout mélange de poudre métallo-céramique.
  • Quant aux microbilles creuses, l'essentiel est qu'elles puissent résister aux contraintes mécaniques et thermiques causées par la projection et qu'elles soient chimiquement inertes vis-à-vis du liant et du gaz utilisé pour la projection. Le matériau qui les constitue peut être une céramique réfractaire telle que'l'alumine, un silicate d'aluminium, un résidu de coke, etc... Elles doivent cependant être suffisamment fragiles pour être fragmentées par l'action des pièces tournantes en contact avec le joint sans détériorier lesdites pièces et sans s'échapper de la matrice. Leur diamètre peut varier de 10 à 200 microns. Il peut être d'autant plus grand que le joint est plus épais. Quant aux proportions du mélange mis en oeuvre dans l'appareillage de projection, on peut indiquer que les meilleurs résultats sont obtenus en général lorsque la proportion en volume des microbilles dans ce mélange est de 50 à 90%.
  • En fait, les phénomènes mis en jeu dans l'opération de projection sont extrêmement complexes et les paramètres opératoires (température du support, température et débit de projection) ne peuvent être réglés qu'expérimentalement. Ces paramètres dépendent en effet non seulement des dimensions des microbilles creuses, de leur température de fusion et de la température de fusion du liant, mais aussi de caractéristiques calorifiques de ces constituants, telles que leurs capacités calorifiques, leurs coefficient de conductibilité thermique et de diffusivité, ou leur réactivité chimique.

Claims (16)

1. Joint susceptible d'être usé par abrasion du genre constitué par une dispersion de microbilles creuses dans un liant solidaire d'un support, caractérisé en ce que les microbilles creuses sont en un matériau inorganique réfractaire et en ce que le matériau du liant est un matériau métallique plus rapidement fusible que le matériau des microbilles creuses.
2. Joint susceptible d'être usé par abrasion, caractérisé en ce que le diamètre des microbilles creuses est compris entre 10 et 200 microns.
3. Joint susceptible d'être usé par abrasion selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau des microbilles creuses est choisi dans le groupe constitué par l'alumine, le silicate d'aluminium et le carbone.
4. Joint susceptible d'être usé par abrasion selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le matériau du liant est un alliage à base de nickel ou de cobalt.
5. Joint susceptible d'être usé par abrasion selon la revendication 3, caractérisé en ce que le matériau du liant contient en outre du chrome.
6. Joint susceptible d'être usé par abrasion selon la revendication 4 ou la revendication 5, caractérisé en ce que le matériau du liant contient en outre de l'aluminium.
7. Joint susceptible d'être usé par abrasion selon la revendication 6, caractérisé en ce que le matériau du liant contient en outre de l'yttrium.
8. Joint susceptible d'être usé par abrasion selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le matériau du liant est une céramique.
9. Joint susceptible d'être usé par abrasion selon la revendication 7, caractérisé en ce que le matériau du liant est le zirconate de magnésium.
10. Joint susceptible d'être usé par abrasion selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le matériau du liant est un alliage métallique ayant les mêmes composants de base que l'alliage du support.
11. Procédé pour la réalisation d'un joint qui est constitué par une dispersion de microbilles creuses dans un liant solidaire d'un support et qui est susceptible d'être usé par abrasion, dans lequel les microbilles et le matériau du liant sont projetés à la torche sur le support sous la forme d'un produit pulvérulent, caractérisé en ce que ledit produit pulvérulent est constitué lors de la projection en mélangeant une poudre de microbilles creuses faites d'un matériau inorganique réfractaire avec une poudre de grains faits d'un matériau métallique plus rapidement fusible que le matériau des microbilles, de telle sorte que la projection peut être faite dans des conditions opératoires telles que la liaison des grains métalliques entre eux, avec les microbilles et avec le support sous l'effet thermo-mécanique de ladite projection. est réalisée sans déformation ou fragmentation notables des microbilles creuses.
12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que la projection est réalisée au moyen d'une torche à plasma.
13. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que la projection est réalisée au moyen d'un pistolet oxy-acétylénique.
14. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que le diamètre des microbilles est compris entre 10 et 200 microns.
15. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que les microbilles sont présentes dans le mélange dans une proportion volumique de 50 à 90%.
16. Turbomachine caractérisée en ce qu'au moins l'un de ses étages est équipé d'un joint susceptible d'être usé par abrasion conforme à l'une quelconque des revendictions 1 à 9.
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