EP0067746B1 - 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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EP0067746B1
EP0067746B1 EP82400966A EP82400966A EP0067746B1 EP 0067746 B1 EP0067746 B1 EP 0067746B1 EP 82400966 A EP82400966 A EP 82400966A EP 82400966 A EP82400966 A EP 82400966A EP 0067746 B1 EP0067746 B1 EP 0067746B1
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hollow
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Claude Marcel Mons
Michel Jean-Pierre Pernot
Roland Roger Spinat
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Safran Aircraft Engines SAS
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Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
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    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
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    • Y10T428/2996—Glass particles or spheres

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a seal capable of being worn by abrasion to be placed in contact with a rotor area of a rotating machine in order to obtain a relative seal.
  • seals are placed around the movable blades of rotor stages of axial turbomachines in order to eliminate air or gas leaks which can affect the efficiency of these stages.
  • the seal produced by the method according to the invention is of the kind constituted by a dispersion of hollow microbeads in a binder ensuring the cohesion of the microbeads between them and their connection with a metal support (which is for example a machine ring).
  • French patent 1,565,344 describes a seal liable to be worn by abrasion of the aforementioned type in which the hollow microbeads are made of an aluminum alloy with at least one metal from the group of iron, nickel and cobalt while the binder is advantageously a solder containing at least one metal from the group consisting of copper, nickel and silver.
  • the joint is for example made by depositing a mixture of microbeads and an alloy powder of the binder on the support (which may include a honeycomb frame, the cells are filled with the mixture) and by heating the assembly to a suitable temperature.
  • GB-A-2 056 502 describes a powder coating material comprising hollow microspheres of alumino-siliceous glass which have been covered with a metallic alloy. This powder can be mixed before spraying with a torch with another metallic or ceramic powder.
  • the alloy covering the hollow microbeads is preferably based on nickel or cobalt and may contain aluminum, chromium and additionally one or more rare earths and / or silicon. The coatings obtained are envisaged for gas turbine parts.
  • the invention is based on the observation that we now have on the market of hollow microbeads made of refractory materials capable of undergoing without significant deformation or fragmentation the mechanical stresses generated by a torch projection (plasma torch or oxy-acetylene pistol) .
  • the seal capable of being worn by abrasion of the invention constituted as already indicated by a dispersion of hollow microbeads in a metallic binder secured to a metallic support, comprises hollow microbeads made of an refractory organic material whose melting start temperature is significantly higher than the melting start temperatures of the support material and of the binder material.
  • metallic binder is understood here to mean a binder made of a metallic alloy or of an intermetallic compound.
  • the binder material can comprise the same basic components as the alloy constituting the support: aluminum, nickel, chromium, cobalt, yttrium or magnesium zirconate.
  • the method of the invention of the aforementioned kind for producing, by spraying with a torch in a manner known per se, a seal capable of being worn by abrasion is characterized in that said pulverulent product is formed during the projection in mixing a powder of hollow microbeads made of a material chosen from the group consisting of alumina, aluminum silicate and carbon and not coated with a powder of grains made of a metallic material more rapidly fusible than the material of microbeads.
  • a remarkable result and an advantage of the method according to the invention is that, during projection, the bonding of the metal grains with each other, with the microbeads and with the support under the thermomechanical effect of said projection is carried out without significant deformation or fragmentation. hollow microbeads.
  • hollow microbeads is understood to mean hollow spherules whose diameter does not exceed 200 microns.
  • FIG. 1 in fact represents an installation for spraying powder by plasma of the known type. Only the essential elements are represented. Tailed arrows show the direction of circulation of the powder to be sprayed and unstained arrows show the direction of circulation of the gas (es). FIG. 1 does not show, for example, the automatic control members, the vibrators, etc. which can be fitted to such an apparatus.
  • the support 31 of the joint to be formed is fixed to a holding part 28 which symbolizes the fixing and drive elements, such as plates, rollers, etc. which make it possible to print on the support 31, in cooperation with means control associated with the torch 20 and not shown, all the relative movements of translation or rotation required by the execution of the joint.
  • Figure 1 can be very easily automated.
  • the plasma torch 20 can be replaced by any other means of hot spraying such as an oxy-acetylene gun.
  • Figure 2 illustrates the structure of the joint obtained.
  • the matrix 33 constituted by the binder adheres intimately to the metal support 31 and fixes the hollow microbeads 32. The dimensions of these have been very exaggerated compared to the thickness of the joint itself greatly enlarged.
  • hollow microbeads the main thing is that they can withstand the mechanical and thermal stresses caused by spraying and that they are chemically inert with respect to the binder and the gas used for spraying.
  • the material which constitutes them can be a refractory ceramic such as alumina, an aluminum silicate, a residue of coke, etc ... They must however be sufficiently fragile to be fragmented by the action of the rotating parts in contact with the seal without damaging said parts and without escaping from the matrix.
  • Their diameter can vary from 10 to 200 microns. It can be larger the thicker the joint.
  • the proportions of the mixture used in the spraying equipment it may be indicated that the best results are generally obtained when the proportion by volume of the microbeads in this mixture is from 50 to 90%.
  • the phenomena involved in the spraying operation are extremely complex and the operating parameters (support temperature, temperature and spraying rate) can only be adjusted experimentally. These parameters depend in fact not only on the dimensions of the hollow microbeads, on their melting temperature and on the melting temperature of the binder, but also on the calorific characteristics of these constituents, such as their calorific capacities, their coefficient of thermal conductivity and diffusivity. , or their chemical reactivity.

Description

  • L'invention concerne un procédé pour la réalisation d'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 réalisé par le procédé selon 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).
  • 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.
  • On constate:
    • -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.
  • Par ailleurs, GB-A-2 056 502 décrit un matériau de revêtement en poudre comportant des microbilles creuses en verre alumino-siliceux qui ont été recouvertes d'un alliage métallique. Cette poudre peut être mélangée avant projection à la torche avec une autre poudre métallique ou céramique. L'alliage recouvrant les microbilles creuses est préférablement à base de nickel ou cobalt et peut contenir de l'aluminium, du chrome et additionnellement une ou plusieurs terres rares et/ou du silicium. Les revêtements obtenus sont envisagés pour des pièces de turbine à gaz.
  • 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, comporte des microbilles creuses en un matériau organique 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 intermétallique.
  • Avantageusement, le matériau du liant peut comporter les mêmes composants de base que l'alliage constituant le support: aluminium, nickel, chrome, cobalt, yttrium ou zirconate de magnésium.
  • Le procédé de l'invention du genre précité pour la réalisation, par projection à la torche de façon connue en soi, d'un joint susceptible d'être usé par abrasion est caractérisé en ce que ledit produit pulvérulent est constitué lors de la projection en mélangeant une poudre de microbilles creuses faites d'un matériau choisi dans le groupe constitué par l'alumine, le silicate d'aluminium et le carbone et non revêtu avec une poudre de grains faits d'un matériau métallique plus rapidement fusible que le matériau des microbilles.
  • Un résultat remarquable et un avantage du procédé selon l'invention est que, lors de la projection, la liaison des grains métalliques entre eux, avec les microbilles et avec le support sous l'effet thermomécanique de ladite projection 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 par un procédé 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 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 (12)

1. 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, selon lequel des microbilles creuses, faites d'un matériau inorganique réfractaire, et le matériau du liant sont projetés à la torche de façon connue en soi 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 choisi dans le groupe constitué par l'alumine, le silicate d'aluminium et le carbone et non revêtu avec une poudre de grains faits d'un matériau métallique plus rapidement fusible que le matériau des microbilles.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la projection est réalisée au moyen d'une torche à plasma.
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la projection est réalisée au moyen d'un pistolet oxyacétylénique.
4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diamètre des microbilles est compris entre 10 et 200 microns.
5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les microbilles sont présentes dans le mélange dans une proportion volumique de 50 à 90%.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le matériau du liant est un alliage à base de nickel ou de cobalt.
7.. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le matériau du liant contient en outre du chrome.
8. Procédé selon la revendication 6 ou la revendication 7, caractérisé en ce que le matériau du liant contient en outre de l'aluminium.
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le matériau du liant contient en outre de l'yttrium.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le matériau du liant est une céramique métallique.
11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le matériau du liant est le zirconate de magnésium.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 11, caractérisé en ce que le matériau du liant est un alliage métallique ayant les mêmes composants de base que l'alliage du support.
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