FR2860245A1 - Methode de formation de revetements de diffusion a base d'aluminure - Google Patents

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Abstract

Méthode de formation d'un revêtement de diffusion à base d'aluminure (Z,P) à croissance vers l'extérieur sur un substrat de superalliage disposé dans une chambre de revêtement, caractérisé en ce qu'on chauffe le substrat à une température de 900 à 1 200 °C, on fait circuler un gaz de revêtement comprenant du trichlorure d'aluminium et un gaz vecteur à travers la chambre à un débit du gaz de revêtement d'environ 100 à environ 450 pieds cubiques (100.2,832.10-2 à environ 450.2,832.10-2 m3/h) dans les conditions standard, on fournit une concentration en trichlorure d'aluminium dans la chambre inférieure à 1,4 % en volume du gaz de revêtement dans la chambre, et on procure une pression totale du gaz de revêtement dans la chambre d'environ 100 à environ 450 Torr (100.1,333.102 à environ 450.1,333.102 Pa).

Description

La présente invention a trait à un procédé de formation d'un revêtement de
diffusion à base d'aluminure sur un substrat.
A des températures supérieures à environ 1 000 C (1 832 F), l'oxydation à haute température est la forme la plus importante d'attaque environnementale observée avec les revêtements de diffusion à base d'aluminure. L'oxydation à haute température est une réaction chimique dont le processus de régulation de vitesse pour un revêtement d'aluminure, est la diffusion à travers une couche de produit (oxyde). La diffusion est un processus thermoactivé, et en conséquence, les coefficients de diffusion sont des fonctions exponentielles de la température. Puisque l'oxydation des revêtements d'aluminure est une réaction contrôlée par diffusion et que les coefficients de diffusion sont des fonctions exponentielles de la température, la vitesse d'oxydation est également une fonction exponentielle de la température. Aux basses températures auxquelles les coefficients de diffusion sont relativement faibles, la vitesse de croissance d'une calamine protectrice sur n'importe quel revêtement d'aluminure est également faible. Ainsi, on doit obtenir une résistance à l'oxydation appropriée à l'aide de tous revêtements d'aluminure tel que l'aluminure de chrome, un aluminure simple ou un aluminure de platine biphasique [PtAl2 + (Ni,Pt)A1], tous ces revêtements se développant vers l'intérieur par cémentation en paquet. Toutefois, aux températures élevées auxquelles les coefficients de diffusion et en conséquence la vitesse d'oxydation augmentent rapidement avec une température croissante, seuls les revêtements qui forment des calamines d'alumine (Al203) de haute pureté sont susceptibles de procurer une résistance appropriée à la détérioration environnementale.
On a conclu que la présence de platine dans l'aluminure de nickel procure de nombreux effets thermodynamiques et cinétiques qui favorisent la formation d'une calamine d'alumine protectrice de haute pureté à faible croissance. En conséquence, la résistance à l'oxydation à haute température des revêtements de diffusion à base d'aluminure modifié par le platine, est en général meilleure par comparaison aux revêtements de diffusion à base d'aluminure simple ne contenant pas de platine.
Bon nombre des problèmes rencontrés avec les aluminures de platine industriels standard antérieurs ayant une structure biphasique croissant vers l'intérieur, ont été surmontés en employant des revêtements d'aluminure de platine monophasique croissant vers l'extérieur ainsi que cela est par exemple décrit dans les articles techniques de Corner et al. intitulés "Évaluation of Simple Aluminide and Platinum modified Aluminide Coatings on High Pressure Turbine Blades after Factory Engine testing", proc. AMSE Int. Conf. of Gas Turbines and Aero Engine congress, 3-6 juin 1991 et 1-4 juin 1992. La microstructure du revêtement de diffusion monophasique d'aluminure croissant vers l'extérieur sur des substrats de superalliage à base de nickel contenant Hf à solidification directionnelle (DS), était par exemple relativement inchangée après utilisation dans un moteur d'usine contrairement à la microstructure du revêtement d'aluminure biphasique standard industriel antérieur. En outre, la croissance d'un revêtement d'aluminure de platine monophasique par dépôt chimique en phase vapeur (CVD), était relativement peu importante par comparaison aux revêtements d'aluminure biphasique en cours d'utilisation de moteur d'usine. En outre, on a observé que les revêtements d'aluminure de platine développés vers l'extérieur à "faible activité à haute température", étaient plus ductiles que les revêtements d'aluminure de platine développés vers l'intérieur à "haute activité à basse température".
Les brevets US-A-5 658 614; 5 716 720; 5 856 027; 5 788 823; 5 989 733; 6 129 991; 6 136 451 et 6 291 014 décrivent un procédé de dépôt CVD pour former un revêtement de diffusion à base d'aluminure de platine développé vers l'extérieur et modifié avec du platine ou d'autres éléments, sur un substrat de superalliage à base de nickel. Les brevets US-A-5 261 963; 5 264 245; 5 407 704 et 5 462 013 décrivent un appareil de dépôt CVD caractéristique pour former un revêtement de diffusion à base d'aluminure sur un substrat.
La présente invention fournit un procédé de dépôt CVD pour former un revêtement de diffusion à base d'aluminure à croissance vers l'extérieur sur un substrat, dans lequel le revêtement de diffusion à base d'aluminure à croissance vers l'extérieur comprend une zone de diffusion adjacente au substrat et une couche d'additif disposée sur la zone de diffusion, et dans lequel les paramètres de dépôt d'aluminium sont ajustés en réduisant fortement le temps nécessaire pour former le revêtement sur le substrat, en modifiant les propriétés du revêtement de façon avantageuse. Selon un mode de réalisation illustratif de la présente invention, on réduit au moins un paramètre choisi parmi la concentration en chlorure d'aluminium (A1C13) dans le gaz de revêtement à l'intérieur de la chambre de revêtement, et la pression totale du gaz de revêtement dans la chambre de revêtement, afin de procurer un accroissement inattendu de la vitesse de croissance d'un revêtement de diffusion à base d'aluminure à croissance vers l'extérieur sur le substrat, en modifiant les propriétés du revêtement telles que la concentration moyenne en aluminium dans la couche d'additif et la résistance à l'oxydation de façon avantageuse.
Selon un mode de réalisation illustratif particulier de la présente invention, un ou plusieurs substrats de superalliage destinés à être revêtus, sont disposés dans une chambre de revêtement de four et chauffés à une température de revêtement de substrat élevée dans la plage d'environ 900 à environ 1 200 C. Un gaz de revêtement comprenant A1C13 et un gaz vecteur tel que l'hydrogène, circulent à un débit d'environ 100 à environ 450 pieds cube par heure dans les conditions standard (scfh) (soit entre environ 2,832 et environ 12,744 m3/h dans les conditions standard) à travers la chambre de revêtement.
La pression totale du gaz de revêtement dans la chambre de revêtement est maintenue à environ 100 jusqu'à environ 450 Ton (C'est-à-dire entre environ 1,333.104 et 5,999.104 Pa). La concentration en A1C13 dans le gaz de revêtement à l'intérieur de la chambre de revêtement est inférieure à environ 1,4 % en volume. Le substrat peut être doté d'une couche comprenant du platine ou un autre élément destiné à être incorporé dans le revêtement de diffusion à base d'aluminure à croissance vers l'extérieur afin de modifier ses propriétés telles que la résistance à l'oxydation à haute température.
Les paramètres de revêtement préférés comprennent un débit de gaz de revêtement à travers la chambre de revêtement d'environ 200 à 400 scfh (soit d'environ 5,864 à 11,328 m3/h dans les conditions standard), une pression totale du gaz de revêtement dans la chambre de revêtement d'environ 100 à 300 Torr (soit d'environ 1,333.104 à 3,999.104 Pa) et une concentration en AlC13 dans la chambre de revêtement d'environ 0,6 % à environ 1,2 % en volume du gaz de revêtement dans la chambre de revêtement. Des paramètres de revêtement encore plus préférés peuvent comprendre un débit de gaz de revêtement d'environ 300 scfh (8,796 m3/h dans les conditions standard), une pression totale du gaz de revêtement dans la chambre de revêtement d'environ 200 Ton (2,666.104 Pa) et une concentration en A1C13 dans la chambre de revêtement d'environ 1,0 % en volume du gaz de revêtement.
Les paramètres de revêtement décrits ci-dessus sont avantageux pour réduire le temps nécessaire à la formation d'un revêtement de diffusion à base d'aluminure à croissance vers l'extérieur sur un substrat de superalliage, d'environ 40 % ou plus, en fonction du substrat particulier destiné à être revêtu.
La présente invention a pour objet un procédé de formation d'un revêtement de diffusion à base d'aluminure à croissance vers l'extérieur sur un substrat de superalliage disposé dans une chambre de revêtement, caractérisé en ce qu'on chauffe le substrat à une température de 900 à 1 200 C, on fait circuler un gaz de revêtement comprenant du trichlorure d'aluminium et un gaz vecteur à travers la chambre à un débit du gaz de revêtement d'environ 100 à environ 450 scfh (12,744 m3/h dans les conditions standard), on fournit une concentration en trichlorure d'aluminium dans la chambre inférieure à 1,4 % en volume du gaz de revêtement dans la chambre, et on procure une pression totale du gaz de revêtement dans la chambre d'environ 100 à environ 450 Ton (à savoir d'environ 1,333.104 à environ 5,999.104 Pa).
D'autres avantages de la présente invention apparaîtront d'après la description suivante considérée avec les dessins suivants.
La figurel est un graphique illustrant des constantes de vitesse de croissance par diffusion obtenues à partir de cycles de dépôt d'aluminium CVD de 10 heures avec diverses concentrations de A1C13 pour le superalliage N5 de Rene (alliage Rene'N5). Les variables de traitement maintenues constantes étaient la température (1 080 C), la pression (450 Torr, soit 5,999.104 Pa) et le débit total de gaz (300 scfh, soit 8,796 m3/h dans les conditions standard).
La figure 2 est un graphique illustrant des constantes de vitesse de croissance par diffusion obtenues à partir de cycles de dépôt d'aluminium CVD de 10 heures avec diverses pressions de four pour l'alliage N5 de Rene. Les variables de traitement maintenues constantes étaient la température (1 080 C), la concentration en A1C13 (0,1 %) et le débit total de gaz (300 scfh).
La figure 3 est un graphique illustrant des constantes de vitesse de croissance par diffusion obtenues à partir de cycles de dépôt d'aluminium CVD de 10 heures avec divers débits de gaz pour le superalliage N5 de Rene. Les variables de traitement maintenues constantes étaient la température (1 080 C), la concentration en A1C13 (1,0 %) et la pression de four (200 Ton).
La figure 4 est un graphique illustrant des profils de concentration d'aluminium (en % en poids) à travers les revêtements d'aluminure formés sur le superalliage N5 de Rene en partant de la surface extérieure de revêtement S correspondant à la distance 0 sur l'axe horizontal. On a illustré des profils de micro-analyse par sonde électronique (EPMA) d'échantillons obtenus à partir de variantes à cycle rapide d'essais de dépôt CVD simple d'aluminium, pour diverses concentrations de A1C13. Les paramètres d'essai restants comprenaient une pression de 450 Ton et un débit total de gaz de 300 scfh. Sur les figures 4-5 et 7-8, la zone de diffusion correspond à la distance à laquelle la concentration en Al est d'environ 15 % en poids.
La figure 5 est un graphique illustrant des profils de concentration d'aluminure (en % en poids) à travers des revêtements d'aluminure formés sur le superalliage N5 de Rene en partant de la surface extérieure de revêtement S correspondant à la distance 0 sur l'axe horizontal. On a illustré des profils de micro-analyse par sonde électronique (EPMA) d'échantillons obtenus à partir de variantes à cycle rapide d'essais d'aluminisation par dépôt CVD avec du platine, pour diverses concentrations en A1C13. Les paramètres d'essai restants comprenaient une pression de four de 450 Ton (5,999.104 Pa) et un débit total de gaz de 300 scfh (8,796 m3/h dans les conditions standard).
La figure 6 est un graphique à barres illustrant la concentration moyenne en aluminium (en % en poids) mesurée dans les couches d'additif de revêtements d'aluminure obtenus en utilisant des variantes de concentration de A1C13 du procédé de dépôt d'aluminium CVD à cycle rapide, formés sur le superalliage N5 de Rene. Pour ces échantillons, la pression de four était de 450 Ton (5,999.104 Pa) et le débit total de gaz était de 300 scfh (8,796 m3/h dans les conditions standard) pour les différentes concentrations de A1C13.
La figure 7 est un graphique illustrant le profil de concentration d'aluminium (en % en poids) mesuré par microanalyse EPMA à travers des revêtements d'aluminure formés sur le superalliage N5 de Rene; à savoir revêtu avec un aluminure simple par dépôt CVD en utilisant le procédé de dépôt CVD rapide d'un mode de réalisation de la présente invention en partant de la surface extérieure de revêtement S qui correspond à la distance 0 sur l'axe horizontal. On a illustré les profils de variantes de traitement en utilisant une température (1 080 C), une concentration en A1C13 (1,0 %) et un débit de gaz (300 scfh, soit 8,796 m3/h dans les conditions standard) constants, en faisant varier la pression du four.
La figure 8 est un graphique illustrant le profil de concentration d'aluminium (en % en poids) mesuré par microanalyse EPMA à travers des revêtements d'aluminure formés sur l'alliage N5 de Rene; à savoir revêtu avec d'un aluminure de platine déposé par CVD en utilisant le procédé CVD rapide d'un mode de réalisation de la présente invention en partant de la surface extérieure de revêtement S correspondant à la distance 0 sur l'axe horizontal. On a illustré les profils de variantes de traitement en utilisant une température (1 080 C), une concentration en A1C13 (1,0 %) et un débit de gaz (300 scfh, soit 8,796 m3/h dans les conditions standard) constants, en faisant varier la pression du four.
La figure 9 est un graphique à barres représentant la concentration moyenne en aluminium (en % en poids) mesurée dans les couches d'additif de revêtements d'aluminure obtenus en utilisant des variantes de pression de four du procédé de dépôt d'aluminium CVD à cycle rapide pour le superalliage N5 de Rene. Pour ces échantillons, la concentration en A1C13 était de 0,10 % et le débit total de gaz était de 300 scfh (8,796 m3/h dans les conditions standard) pour les pressions de four employées.
La figure 10 est un graphique illustrant le comportement à une oxydation cyclique d'échantillons sous forme de lame de superalliage N5 de Rene comportant un revêtement d'aluminure de platine et testés à 1 177 C (2 150 F). Des échantillons obtenus à partir de trois variantes de pression de four du procédé de dépôt CVD à cycle rapide sont représentés. Les courbes représentent trois échantillons pour chaque cas.
La figure 11 est une photomicrographie d'un revêtement de diffusion à base d'aluminure à croissance vers l'extérieur représentatif dénommé MDC- 150L sur un substrat de superalliage à base de nickel SB dans lequel le revêtement comporte une zone de diffusion Z adjacente au substrat et une couche d'additif P disposée sur la zone de diffusion. Les surfaces extérieures de la couche d'additif P est la surface la plus extérieure du revêtement de diffusion à base d'aluminure. Un revêtement de barrage thermique EB-TBC est illustré, reposant sur une couche d'alumine formée sur la couche d'additif P. Il va maintenant être décrit ci-dessous, à titre illustratif et non limitatif, la formation, selon l'invention, de revêtements de diffusion à base d'aluminure simple (non modifié) et de revêtements de diffusion à base d'aluminure modifié par le platine à croissance vers l'extérieur, sur des substrats de superalliage à base de nickel particulier. Ainsi que cela est illustré sur la figure 11, un revêtement de diffusion à base d'aluminure représentatif à croissance vers l'extérieur, qu'il soit simple ou modifié par le platine, comprend une zone de diffusion Z adjacente au substrat SB et une couche d'additif P disposée sur la zone de diffusion Z. La couche d'additif P peut comprendre une seule phase de NiAl ou une seule phase de (Pt,Ni)Al dans laquelle le Pt est en solution solide. Une deuxième phase peut être présente dans la phase de NiAl ou la phase de (Pt,Ni)Al en fonction du ou des éléments qui peuvent être ajoutés dans le revêtement. La surface extérieure S de la couche d'additif P est la surface la plus extérieure du revêtement de diffusion à base d'aluminure par rapport au substrat. Un revêtement de barrage thermique EB-TBC est illustré, celui-ci étant disposé sur une couche d'alumine Al formée sur la couche d'additif P. Le revêtement de barrage thermique sur la couche d'alumine étant un autre composant de revêtement facultative possible qui ne fait pas partie de la présente invention et ne fait pas partie du revêtement de diffusion à base d'aluminure réalisé selon la présente invention.
L'invention peut être mise en oeuvre pour former des revêtements de diffusion à base d'aluminure simple (non modifié) à croissance vers l'extérieur et un revêtement de diffusion à base d'aluminure modifié à croissance vers l'extérieur, le revêtement étant modifié afin de comprendre un élément en plus de Ni et Al, sur divers substrats de superalliage tels que des substrats de superalliage à base de nickel, des substrats de superalliage à base de cobalt et des substrats de superalliage comprenant au moins deux éléments choisis parmi le nickel, le cobalt et le fer. De tels superalliages sont connus de l'homme de l'art. Certains de ces superalliages sont décrits dans le livre intitulé "Superalloys II", Sims et al., publié par John Wiley & Sons, 1987.
Les exemples décrits ci-dessous comprennent des substrats de superalliage à base de nickel comprenant un superalliage N5 de Rene connu à titre illustratif et non limitatif Le superalliage à base de nickel N5 de Rene est décrit dans le brevet US-A-6 074 602. Les échantillons testés dans les exemples ci-dessous avaient une composition nominale, en % en poids, de 7 % de Cr, 8 % de Co, 2 % de Mo, 5 % de W, 7 % de Ta, 3 % de Re, 6,2 % de Al, 0,2 % de Hf et le reste consistant essentiellement en Ni.
On a effectué des essais de dépôt CVD d'aluminium à basse activité 35 dans un réacteur ou un four de revêtement du type illustré dans le brevet US-A-5 261 963. Le réacteur ou le four de revêtement comportait une chambre de revêtement ayant un diamètre nominal de 20 pouces (50,8 cm) et une hauteur nominale de 40 pouces (101,6 cm). Un gaz de revêtement comprenant A1C13 et de l'oxygène résiduel a été généré dans un ou plusieurs générateurs de gaz disposés à l'extérieur du four ainsi que cela est décrit dans le brevet US-A-5 407 704 en faisant circuler un mélange de chlorure d'hydrogène gazeux et d'un gaz vecteur de type hydrogène sur un lit de particules d'aluminium. on a ensuite fait circuler le gaz de revêtement à travers la chambre de revêtement du four ainsi que cela est décrit dans le brevet US-A-5 658 614. Les expériences décrites ci-dessous ont été effectuées dans un tel réacteur ou four de dépôt CVD en utilisant six plateaux de réception de substrat espacés de 10,16 mm le long de l'axe vertical dans la chambre de revêtement du four.
On a employé comme matériau d'essai dans les essais de dépôt d'aluminium, des échantillons en lamelle de superalliage à base de nickel N5 de Rene (dimensions: 25,4 mm x 12,7 mm x 3 mm) comportant des bords et des coins ronds (appropriés pour un essai d'oxydation). Quatre échantillons en lamelle de l'alliage (avec ou sans couche de platine électrodéposée sur ceux-ci) ont été soumis à un dépôt d'aluminium dans diverses conditions intéressantes, puis une lame a été employée pour une analyse chimique et les trois autres ont été employées pour un essai d'oxydation cyclique. La couche de platine électrodéposée, a été plaquée de façon à avoir un poids de 6 mm/cm2 et l'électrodéposition a été effectuée selon le brevet US-A-5 788 823.
Un échantillon d'essai de chaque groupe a été sectionné transversalement, ajusté, poli et examiné sur un microscope tant à lumière qu'électronique. L'épaisseur du revêtement a été mesurée (moyenne de dix lectures) avec le microscope à lumière, et les profils de composition pour les éléments principaux dans la couche d'additif des revêtements ont été obtenus avec une microsonde électronique. La concentration en aluminium dans la couche d'additif a été calculée d'après la moyenne des points dans le profil.
On a effectué des essais de dépôt CVD d'aluminium à basse activité avec diverses concentrations d'halogénure d'aluminium et des pressions totales dans le four de revêtement ci-dessus. Après revêtement par dépôt CVD, on a préparé des échantillons représentatifs du superalliage ci-dessus (chacun avec et sans Pt) pour un examen métallographique. Les échantillons restants de chaque type ont été testés par oxydation cyclique à 1 177 C (2 150 F).
On a par exemple effectué une première série d'essais de dépôt CVD à basse activité à une température de substrat de 1 080 C (1 975 F) et une pression totale dans la chambre de revêtement de four de 200 Ton (0, 26 atm) dans le cas du superalliage à base de nickel ci-dessus. On a considéré 4 concentrations de trichlorure d'aluminium (AIC13) différentes dans un gaz vecteur de type hydrogène, de manière spécifique: a) 1 %, b) 0,5 %, c) 0,1 % et d) 0,05 % en volume du gaz de revêtement (A1C13 plus gaz vecteur de type hydrogène). La concentration en AJC13 mentionnée est celle présente dans le gaz de revêtement à l'intérieur de la chambre de revêtement du four. Le débit de gaz total à travers le système au cours des expériences était de 300 scfh. Le générateur d'halogénure d'aluminium a été mis en uvre à 290 C (554 F) avec 20 scfh dans les conditions standard d'hydrogène (H2) et le courant de chlorure d'hydrogène (HC1) approprié pour obtenir la concentration en A103 requise dans le gaz de revêtement à l'intérieur de la chambre de revêtement.
On a effectué une deuxième série d'essais de dépôt d'aluminium à : a) température de substrat (1 080 C), b) concentration en A1C13 (1,0 % en volume de gaz de revêtement dans le four) et c) débit de gaz (300 scfh) constants. Dans cette série d'essai, on a considéré 4 pressions totales différentes dans la chambre de revêtement, à savoir 200 Torr (2,666.104 Pa, soit 0,26 atm), 320 Torr (4,266.104 Pa, soit 0,42 atm), 450 Torr (5,999.104 Pa, soit 0,59 atm) et 650 Ton (8,665.104 Pa, soit 0,86 atm).
On a effectué une troisième série d'essai de dépôt d'aluminium à : a) température de substrat (1 080 C), b) concentration en A1C13 (1,0 % en volume de gaz de revêtement) et c) pression (2,666.104 Pa, soit 0,26 atm), constants. Dans cette série d'essai, on a considéré des débits de gaz différents, à savoir 150 scfh (4,248 m3/h dans les conditions standard), 300 scfh (8,796 m3/h dans les conditions standard), 450 scfh (12,744 m3/h dans les conditions standard).
Un échantillon de chaque groupe testé a été sectionné transversalement, ajusté, poli et examiné sur un microscope tant à lumière qu'électronique. L'épaisseur du revêtement a été mesurée (moyenne de 10 lectures) avec le microscope à lumière, et les profils de composition des éléments principaux dans le revêtement ont été obtenus en employant une microanalyse par sonde électronique. La concentration en aluminium dans la couche d'additif a été calculée d'après la moyenne des points dans le profil.
On a effectué un essai d'oxydation cyclique des échantillons restants dans chaque groupe à 2 150 F (1 177 C). Les dimensions des échantillons d'essai en lame ont été mesurées au 0,1 mm le plus proche et la surface a ensuite été calculée. Les échantillons d'essai ont ensuite été nettoyés dans de l'acétone, et la masse a été mesurée au 0,1 mg le plus proche. Finalement, les échantillons ont été testés dans un appareil à four tubulaire de laboratoire. Un cycle en four consistait en 15 minutes à une température puis en un refroidissement à l'air de 10 minutes. La masse d'échantillon a été mesurée avant et après chaque intervalle d'essai de 5 cycles, et après chaque intervalle d'essai, on a fait la moyenne des variations de masse de tous les échantillons d'un type donné. La variation de masse moyenne pour chaque type d'échantillon a finalement été reportée en fonction du nombre de cycle. Dans ces essais, une défaillance a été définie en tant que perte de masse de 2 mg/cm2 par rapport à la masse initiale de l'échantillon.
CINETIQUE DE CROISSANCE DU REVETEMENT
Le procédé de dépôt CVD d'aluminium est une réaction gaz-solide qui produit une couche de produit solide entre les réactifs. Donc, une fois que la couche de produit est continue, il s'agit d'une réaction contrôlée par diffusion qui a une cinétique parabolique. La loi de vitesse parabolique (voir une équation 1), indique que l'épaisseur (X) du revêtement est directement liée à la racine carrée du temps de réaction (t).
X= (kp(eff)t) 1/2 (1) Dans l'équation 1, kptefp est la constante de vitesse de croissance apparente pour l'alliage et les conditions de dépôt considérés, et elle est liée aux coefficients de diffusion des réactifs dans la couche de produit. Après chaque expérience de dépôt d'aluminium, l'épaisseur moyenne a été mesurée pour chaque type de revêtement, et la constante de vitesse a ensuite été calculée pour chaque expérience en utilisant les valeurs d'épaisseur mesurées et le temps de dépôt d'aluminium expérimental.
La figure 1 récapitule les données issues de la première série d'essais. En particulier, la figure 1 procure une courbe de la constante de vitesse de croissance apparente en fonction de la concentration en AIC13 dans la chambre de revêtement de four à une pression totale de 450 Torr et un débit de gaz de 300 scfh (8,796.104 m3/h dans les conditions standard) dans les conditions standard pour les revêtements sur les échantillons d'alliage N5 de Rene (sans couche de Pt électrodéposée). Il s'avère y avoir un point d'inflexion maximum apparent de la vitesse de croissance du revêtement à une concentration de 1,0 % en volume de AIC13 dans le gaz de revêtement dans la chambre de revêtement dans le cas du superalliage. Si la concentration en A1C13 est ajustée à ou au voisinage de ce point d'inflexion approximatif les autres paramètres de revêtement étant constants, on peut obtenir une réduction importante du temps de traitement de revêtement. Les essais de revêtement dans les exemples comprennent par exemple un temps de traitement de revêtement de seulement 10 heures par comparaison à un temps de traitement de revêtement caractéristique de 12 à 20 heures, tel que 16 heures, employé à des concentrations relativement élevées de AlC13 dans le four de revêtement.
La figure 2 récapitule les données provenant de la deuxième série d'essais. En particulier, la figure 2 procure une courbe de la constante de vitesse de croissance du revêtement en fonction de la pression totale du four à concentration en AlC13 (0,1 % en volume de gaz de revêtement) dans le réacteur et débit total (300 scfh, soit 8,796 m3/h dans les conditions standard) constants. La figure 2 illustre également un point d'inflexion maximum apparent dans les graphiques à une pression de réacteur de 400 Ton (5,332.104 Pa) et un point d'inflexion supplémentaire à 200 Ton (2,666.104 Pa).
La figure 3 récapitule les données pour la troisième série d'essai. En particulier, la figure 3 illustre un graphique de la constante de vitesse de croissance apparente en fonction du débit de gaz total dans le fond de revêtement à une pression totale de 200 Torr (2,666.104 Pa) et une concentration en gaz de 1,0 % en volume de AIC13 dans le réacteur pour un revêtement sur le superalliage N5 de Rene. Il s'avère y avoir un point d'inflexion maximum apparent de la vitesse de croissance du revêtement à un débit de 300 scfh (soit 8,796 m3/h dans les conditions standard) dans le cas de ce superalliage.
D'après ces observations, il s'avère qu'il existe un ensemble optimum deconditions pour produire des revêtements de diffusion à base d'aluminure par dépôt CVD, basé sur la vitesse la plus élevée de croissance des revêtements sur le superalliage. En général, dans la mise en oeuvre de la présente invention, on emploie une température de revêtement de substrat d'environ 900 à environ 1 200 . Un courant de gaz de revêtement s'écoule à travers la chambre de revêtement du four à un débit d'environ 100 à environ 450 scfh (soit d'environ 2,832 à environ 12,744 m3/h dans les conditions standard). La concentration en AlC13 dans le gaz de revêtement à l'intérieur de la chambre de revêtement est inférieure à 1,4 % en volume du gaz de revêtement, le reste consistant essentiellement en hydrogène. Un gaz inerte tel que de l'argon peut être présent avec l'hydrogène. La pression totale du gaz de revêtement dans la chambre de revêtement est d'environ 100 à environ 450 Torr (soit d'environ 1,333.104 à environ 5,999.104 Pa).
Les paramètres de revêtement préférés comprennent une température de substrat d'environ 1 080 C, un débit de gaz de revêtement à travers une chambre de revêtement de 200 à 400 scfh (soit de 5,864 à 11,328 m3/h dans les conditions standard), une concentration en A1C13 dans la chambre de revêtement d'environ 0,6 à environ 1,2 % en volume du gaz du revêtement, et une pression totale du gaz de revêtement dans la chambre de revêtement d'environ 100 à environ 300 Torr (environ 1,333.104 à environ 3,999.104 Pa .
Pour les conditions examinées dans les essais ci-dessus, les conditions de revêtement optimums dans le cas de l'alliage N5 de Rene et des autres superalliages, s'avèrent être les suivantes:
Tableau I
Conditions observées pour le dépôt CVD d'aluminium sur l'alliage N5 de Rene 20 Variable Optimum Pression de réacteur 200 Torr (2,666.104 Pa) Concentration en A1C13 1,0 % en volume Débit total de gaz 300 scfh (8,796 m3/h dans les conditions standard) dans les conditions standard La pression du four optimum de 200 Torr (2,666.104 Pa) est choisie plutôt que la pression de four de 450 Torr (5,999.104 Pa) puisqu'en général une pression de four relativement faible produit une relativement bonne uniformité de revêtement.
ANALYSE CHIMIQUE PAR MICROSONDE ELECTRONIQUE
La figure 4 (revêtement d'aluminure simple) et la figure 5 (revêtement d'aluminure modifié par Pt) illustrent la variation de la concentration en aluminium à travers la couche d'additif P des revêtements sur l'alliage N5 de Rene produits avec différentes concentrations de A1C13 dans le four de 35 revêtement. Dans chacune de ces figures, les profils obtenus à partir des revêtements produits à 4 concentrations en A1C13 (a = 1 %, b = 0,5 %, c = 0,1 % et d = 0,05 % en volume) à température (1 080 C), pression totale (200 Torr, soit 2,666.104 Pa) et débit de gaz (300 scfh, soit 8,796 m3/h dans les conditions standard) constants, sont mentionnés. Les distributions de l'aluminium à travers les revêtements obtenus à 1 % de A1C13 sont constamment plus favorables que celles obtenues à partir des essais. Il est intéressant de remarquer que les concentrations en aluminium obtenues à partir de n'importe lequel des procédés à 1 % de A1C13, sont en général plus élevées à n'importe quelle profondeur donnée à partir de la surface extérieure S (distance 0 de l'axe X) de la couche d'additif que presque toutes les autres obtenues à partir des essais. La concentration en aluminium dans les revêtements de diffusion à base d'aluminure formés à 1 % de AlC13, a un maximum de 23 à 26 en poids au voisinage de la surface extérieure S, la concentration en aluminium diminuant à plus faible vitesse vers la zone de diffusion Z que dans tous les autres revêtements des exemples.
La figure 6 illustre et compare la concentration moyenne en aluminium dans la couche d'additif des revêtements de diffusion à base d'aluminure pour un nombre représentatif de conditions mises en évidence dans cette série d'essai. La concentration moyenne en aluminium dans la couche d'additif des revêtements de diffusion à base d'aluminure (basée sur la moyenne de tous les points de profil dans la couche d'additif) augmente lorsque la concentration en A1C13 dans la chambre de revêtement augmente de 0,05 à 1,0 % en volume. On remarquera également que les essais décrits dans les exemples ont été effectués par un temps de cycle de revêtement total de 10 heures plutôt que les 16 heures habituelles fréquemment employées pour le dépôt CVD d'aluminium à faible activité à différents paramètres de revêtement.
Les profils de composition obtenus à partir d'échantillons traités à diverses pressions de four: 200 Ton (2,666.104 Pa), 320 Ton (4,266.104 Pa) , 450 Ton (5,999.104 Pa) à température (1 080 C), débit de gaz (300 scfh, soit 8,796 m3/h dans les conditions standard) et concentration en A1C13 (0,10 % en volume de gaz de revêtement dans le four) constants, sont illustrés sur la figure 7 pour l'alliage N5 de Rene à revêtement d'aluminure simple, et sur la figure 8 pour l'alliage N5 de Rene à revêtement d'aluminure au platine. Ainsi qu'on peut le remarquer d'après ces figures, la concentration en aluminium augmente légèrement à travers la couche d'additif à n'importe quelle profondeur donnée à partir de la surface extérieure S (distance 0 sur l'axe X) lorsque la pression totale du four augmente. Ainsi, la concentration moyenne en aluminium dans la couche d'additif augmente lorsque la pression du four augmente à cette concentration particulière en A1C13 gazeux. La figure 9 illustre ce point pour des substrats à revêtement d'aluminure au platine.
ESSAI D'OXYDATION CYCLIQUE On a effectué un essai d'oxydation cyclique sur les échantillons revêtus et on a calculé pour chaque type de revêtement testé le nombre moyen de cycles jusqu'à une défaillance (à une variation de masse de -2 mg/cm2). Ensuite, pour chaque type de revêtement, le nombre moyen de cycles jusqu'à défaillance a été divisé par l'épaisseur de revêtement initiale, pour obtenir le nombre de cycles jusqu'à défaillance par épaisseur unitaire. Une normalisation de l'épaisseur permet de comparer directement la résistance à l'oxydation des divers revêtements considérés.
La figure 8 procure des données d'oxydation nolinalisées pour le superalliage N5 de Rene revêtu d'un revêtement de diffusion à base d'aluminure au platine reportées en fonction de la pression de four totale pour des échantillons traités à température de substrat (1 080 C), débit de gaz (300 scfh, soit 8,796 m3/h dans les conditions standard) et concentration en A1C13 (0,10 % en volume de gaz de revêtement dans la chambre de revêtement) constants, et le graphique résultant est illustré sur la figure 10. Les données indiquent que la résistance à l'oxydation des revêtements de diffusion à base d'aluminure modifié par le platine testés, augmente lorsque la pression dans le four de revêtement diminue, la pression du four de 200 Ton (2,666.104 Pa) produisant la meilleure résistance à l'oxydation, la pression du four de 320 Ton (4,266.104 Pa) la meilleure suivante, etc. Les résultats ci-dessus indiquent que des diminutions tant de la concentration en A1C13 que de la pression totale dans la chambre de revêtement du four, résultent tant en une vitesse de revêtement accrue qu'une résistance à l'oxydation accrue du revêtement. La variation observée de la vitesse de croissance et de la résistance à l'oxydation en fonction de la pression totale et de la concentration en trichlorure d'aluminium dans le four de revêtement, était tant importante qu'inattendue.
Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à certains 35 modes de réalisation de celle-ci, l'homme de l'art remarquera que diverses modifications, changements, etc. peuvent être apportés à la présente invention dans la portée des revendications annexées.

Claims (6)

REVENDICATIONS
1. Procédé de formation d'un revêtement de diffusion à base d'aluminure (Z,P) à croissance vers l'extérieur sur un substrat de superalliage disposé dans une chambre de revêtement, caractérisé en ce qu'on chauffe le substrat à une température de 900 à 1 200 C, on fait circuler un gaz de revêtement comprenant du trichlorure d'aluminium et un gaz vecteur à travers la chambre à un débit du gaz de revêtement d'environ 100 à environ 450 pieds cube par heure dans les conditions standard (scfh) (c'est-à-dire entre environ 2,832 et environ 12,744 m3/h dans les conditions standards), en ce qu'on fournit une concentration en trichlorure d'aluminium dans la chambre inférieure à 1,4 % en volume du gaz de revêtement dans la chambre, et en ce qu'on fournit une pression totale du gaz de revêtement dans la chambre d'environ 100 à environ 450 Ton (c'est-à-dire entre environ 1,333.104 et 5,999.104 Pa).
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le débit de gaz de revêtement à travers la chambre est de 200 à 400 scfh, la concentration en trichlorure est d'environ 0,6 à environ 1,2 % en volume du gaz de revêtement dans la chambre, et la pression totale du gaz de revêtement dans la chambre est d'environ 100 à environ 300 Ton.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le débit de gaz de revêtement à travers la chambre est de 300 scfh, la concentration en trichlorure d'aluminium est d'environ 1,0 % en volume du gaz de revêtement dans la chambre, et la pression totale du gaz de revêtement est d'environ 200 Torr.
4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'avant de former le revêtement (Z,P) sur le substrat, on applique une couche comprenant du platine sur le substrat.
5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz de revêtement comprend du trichlorure d'aluminium et de l'hydrogène.
6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat est chauffé à une température d'environ 1 080 C.
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