Brevet FR2088088A1 — publié le 19720107

L'invention est relative aux procédés et dispositifs pour effectuer des dépôts superficiels sur des pièces en vue de modifier les propriétés physiques, chimiques ou physico-chimiques de leur surface. 5 L'invention a pour but des procédés et dispositifs qui per- ) mettent d'effectuer des dépôts sur des pièces de formes et de ^ dimensions quelconques. L'invention a encore pour but des procédés et dispositifs qui permettent d'effectuer des dépôts d'un corps simple ou de 10 plusieurs corps simples susceptibles de donner un corps composé en se combinant lors du dépôt. L'invention a aussi pour but des procédés et dispositifs qui permettent d'effectuer des dépôts présentant une épaisseur constante et un état de surface analogue à celui de la pièce sur la-15 quelle le dépôt est effectué. Le procédé conforme à l'invention est caractérisé par le fait que, on introduit dans un écoulement de plasma raréfié dont la pression statique est inférieure à 5 mm de mercure, et de préfé-20 rence à 1 mm de mercure, au moins une substance contenant le corps à déposer ou contenant des éléments entrant dans la composition du corps à déposer, et on dispose en aval de la zone d'introduction de cette substance la pièce sur laquelle la dépôt doit être effectué. 25 Le dispositif conforme à l'invention est caractérisé par le fait qu'il comporte, un générateur de plasma alimenté par un fluide plasmagène, une enceinte entourant l'écoulement de plasma délivré par ce générateur, 30 un système d'aspiration entrëténant dans cette enceinte une pression inférieure à 5 mm de mercure, et de préférence à 1 mm de mercure, lorsque le générateur de plasma est en fonctionnement, des moyens d'introduction d'au moins une substance contenant 35 le corps à déposer ou contenant des éléments entrant dans la composition du corps à déposer, ces moyens d'introduction étant disposés de manière à introduire cette substance dans l'écoulement de plasma au niveau d'une zone d'introduction, et un support de pièce maintenant la pièce dans l'écoule-40 ment de plasma, ce support de pièce étant disposé en aval de la 70 17833 2 2088038 zone d'introduction. On conçoit alors que, grâce à la haute température et à la basse pression qui caractérisent l'écoulement de plasma, il se produise en aval de la zone d'introduction une dissociation 5 (et une ionisation) de la substance introduite. De plus, la masse spécifique de l'écoulement de plasma étant faible, l'énergie thermique par unité de volume est faible et le flux thermique par convection auquel est soumise la pièce est insuffisant pour provoquer un échauffement notable de cette 10 pièce pendant le temps de séjour de cette pièce dans l'écoulement. Enfin, le libre parcours moyen étant important aux pression et température régnant* dans l'écoulement de plasma, les molécules de substance à déposer arrivent sur la surface de la pièce à l'état gazeux, pour pouvoir se combiner en phase gazeuse, ce 15 qui permet un dépôt homogène. L'invention consiste, mis à part les dispositions principales dont il vient d'être question, en certaines autres dispositions qui s'utilisent de préférence en même temps et dont il sera plus explicitement question ci-après. 20 L'invention pourra, de toute façon, être bien comprise à l'aide du complément de description qui suit, ainsi que du dessin ci-ànnexé, lesquels complément et dessin sont relatifs à un mode de réalisation préféré de l'invention et ne comportent, bien entendu, aucun caractère limitatif. 25 La figure unique de ce dessin est une coupe schématique d'un dispositif conforme à l'invention. Ce dispositif comporte un générateur de plasma, désigné d'une façon générale par le chiffre de référence 1, alimenté par un fluide plasmagène par un circuit d'alimentation 2. 30 Ce générateur de plasma 1 peut être de n'importe quel type approprié, et,en particulier, il peut être du type à .arc électrique et comporter alors une cathode ? reliée à Ici borne négative d'une source de courant continu 4 et une anode 5 reliée a la borne positive de cette source de courant 4, cette anode 5 35 constituant' l'orifice de sortie ou la tuyère 6 du générateur 1. Un ou plusieurs circuits de refroidissement 7 sont généralement prévus pour refroidir la cathode 3 et l'anode 5. L'orifice de sortie ou la tuyère 6 du générateur 1 débouche dans une enceinte 8 qui entoure l'écoulement de plasma lorsque 40 le générateur 1 est en fonctionnement. 70 17833 3 2088088 Un système d'aspiration, désigné d'une façon générale par le chiffre de référence 9, et qui peut être de n'importe quel type approprié (pompe mécanique, éjecteur, pompe à diffusion, etc.) entretient dans cette enceinte 8 une pression inférieure à 1mm 5 de mercure lorsque le générateur de plasma 1 est en fonctionnement. Le dispositif comporte encore des moyens d'introduction 10 d'au moins une substance contenant le corps à déposer ou des éléments entrant dans la composition du corps à déposer, ces 10 moyens d'introduction 10 étant disposés de manière à introduire cette substance dans l'écoulement de plasma au niveau d'une zone d'introduction 11. Un support de pièce 12 est alors prévu pour maintenir la pièce 13 dans l'écoulement de plasma, ce support de pièce 12 ^5 étant disposé en aval de la zone d'introduction 11. De préférence, le système d'aspiration 9 est prévu, notamment en ce qui concerne sa puissance, pour entretenir dans l'enceinte 8 une pression comprise entre 0,5 et 0,05 mm de mercure. En ce qui concerne la distance devant exister entre la 20 zone d'introduction 11 et la pièce 13, il convient de signaler qu'elle dépend essentiellement de la constitution du fluide plas-magène et de la constitution de la substance introduite, cette distance étant telle qu'au niveau de la pièce 13 le coefficient de dissociation de la substance introduite soit maximal et que 25 la diffusion de cette substance dans le volume de l'enceinte 8 C soit encore limitée à une valeur négligeable. De préférence, la pièce 13 est orientée de manière telle que les surfaces sur lesquelles doit être effectué le dépôt soient orientées perpendiculairement ou approximativement per-30 pendiculairement à la direction de l'écoulement de plasma. Pour éviter qu'un dépôt parasite ne se forme sur des surfaces de la pièce 13 qui ne seraient pas convenablement orientées par rapport à l'écoulement de plasma, il peut être avantageux de prévoir un masquage desdites surfaces. 35 Le support de pièce 12 peut comporter un mécanisme permettant de modifier la position, notamment l'orientation, de la pièce 13 pendant son exposition à l'écoulement de plasma. Ce support de pièce 12 peut également être agencé de manière à exposer successivement plusieurs pièces 13 à l'écoulement de 40 plasma. 70 17833 4 2088088 Quant aux moyens d'introduction 10, leur constitution dépend essentiellement de la nature de la substance à introduire. Il s'agit de substances qui sont gazeuses dans les conditions de pression et de température du plasma, et les moyens 5 d'introduction 10 peuvent comporter un conduit débouchant dans l'écoulement de plasma par un ou plusieurs injecteurs. Les moyens d * introduction 10 peuvent comporter une première source d'énergie, constituée par un réchauffeur 10a, capable de porter la substance à introduire à l'état gazeux, et une seconde 10 source d'énergie, constituée par un arc électrique 10b, placée à la sortie de l'injecteur et capable d'activer la dissociation de la substance introduite. Dans le cas où l'on introduit plusieurs substances, ces substances peuvent être préalablement mélangées ou peuvent être 15 introduites séparément dans l'écoulement de plasma au niveau d'une même zone d'introduction ou au niveau de zones d'introduction décalées. Lorsqu'on introduit plusieurs substances, le dépôt obtenu sur la £>ièce 13est un corps composé ou un mélange de corps 20 simples, mélange que l'on peut soumettre à des traitements supplémentaires (traitement thermique par exemple). En ce qui concerne le fluide plasmagène, il peut être neutre vis-à-vis de la substance introduite ou provoquer avec la substance introduite une réaction de surface en vue d'obtenir le 25 dépôt d'un corps composé résultant de cette réaction de surface entre le fluide plasmagène et la substance introduite. Dans un écoulement de plasma à une pression statique de 0,01 mm de mercure, obtenu avec un gaz plasmagène constitué par de l'azote, on a réalisé les dépôts suivants : 30 en introduisant de l'acétylène, on a réalisé des dépôts de carbone, en introduisant de 1'hexachlorure de tungstène, on a réalisé des dépôts de tungstène, en introduisant dans des proportions appropriées de l'acéty-35 lène et de 1'hexachlorure de tungstène, on a obtenu un dépôt de carbure de tungstène. On pourrait également obtenir des dépôts d'antimoine en introduisant du trichlorure d'antimoine, des dépôts de bore en introduisant du trichlorure de bore, des dépôts de titane en in-40 troduisant du tétrachlorure de titane, et des dépôts de silicium 70 17833 5 2088088 en introduisant du tétrachlorure de silicium. Il convient de préciser que le débit molaire de substance introduite reste toujours faible devant le débit molaire de gaz plasmagène afin de conserver à l'écoulement de plasma une tempé-5 rature élevée; à ce sujet, on pourrait indiquer que dans la plupart des cas le débit molaire de substance introduite sera inférieur à 0,1% du débit molaire de gaz plasmagène. En ce qui concerne la vitesse de l'écoulement de plasma, celle-ci demeure de préférence subsonique, mais se situe avanta-10 geusement dans le domaine du haut subsonique, et l'on pourrait indiquer qu'un écoulement dont la vitesse est de Mach 0,8 donne de bons résultats quant aux dépôts qui peuvent y être effectués. Dans ces conditions, on agence donc le générateur de plasma 1, notamment en ce qui concerne sa tuyère 6, de façon telle que 15 pour la pression statique qui règne dans l'enceinte 8 la vitesse de l'écoulement de plasma soit de l'ordre de Mach 0,8. Parmi les applications de l'invention, on peut citer les suivantes : - réalisation de dépôts anti-corrosion sur des pièces telles 20 que des ailettes de turbines à gaz, ou des pales de turbines hydrauliques ou d'hélices, - réalisation de dépôts conducteurs sur des pièces en matériau isolant, - réalisation de dépôts réfractaires sur des pièces en maté-25 riau non réfractaire, - réalisation de dépôts localisés sur des pièces en partie masquées. De toute façon, quel que soit le mode de réalisation ou le domaine d'application de l'invention, celle-ci apporte un cer-30 tain nombre d'avantages, parmi lesquels on peut citer ceux résumés par les points suivants : la pièce sur laquelle doit être effectué le dépôt n'est pas soumise à un échauffement important, ce qui permet d'envisager des dépôts sur des pièces en matière plastique, et sur des 35 pièces de très faibles dimensions (notamment des fils), le dépôt obtenu présente de grandes caractéristiques d'homogénéité en raison de la dissociation et de l'ionisation de la substance introduite, dont les molécules arrivent sur la surface de la pièce à l'état gazeux, 40 il est possible de traiter des pièces de dimensions impor 70 17833 6 2088088 tantes et de monter ces pièces sur un support permettant de modifier la position de la pièce pendant son exposition à l'écoulement de plasma, il est possible d'exposer successivement plusieurs pièces à 5 l'écoulement de plasma, la durée d'exposition de la pièce n'est pas limitée, les problèmes technologiques posés par la réalisation d'un écoulement à basse pression, comprise entre 1 mm et 0,05 mm de mercure, peuvent être facilement et économiquement résolus. 10 Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à celui de ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, ayant été plus spécialement indiqués; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. 70 17833 7 2088088 REVENDICATIONS 1. Procédé pour effectuer des dépôts superficiels sur une pièce, caractérisé par le fait que, on introduit dans un écoulement de plasma raréfié, dont la pression statique est inférieure à 5 mm de mercure, au moins une 5 substance contenant le corps à déposer ou contenant des éléments entrant dans la composition du corps à déposer, et on dispose en aval de la zone d'introduction de cette substance la pièce sur laquelle le dépôt doit être effectué. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait 10 que la pression statique de l'écoulement de plasma est comprise entre 1 et 0,05 mm de mercure. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que la vitesse de l'écoulement de plasma est de l'ordre de Mach 0,8. 15 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que l'on introduit plusieurs substances contenant des éléments entrant dans la composition du corps à déposer. 5. Dispositif pour effectuer des dépôts superficiels sur 20 une pièce, caractérisé par le fait qu'il comporte, un générateur de plasma (1) alimenté en fluide plasmaqène, une enceinte (8) entourant l'écoulement de plasma délivré par ce générateur (1), un système d'aspiration (9) entretenant dans cette enceinte 25 (8) une pression inférieure à 5 mm de mercure lorsque le générateur .de plasma (1) est en fonctionnement, des moyens d'introduction (10) d'au moins une substance contenant le corps à déposer ou contenant des éléments entrant dans la composition du corps à déposer, ces moyens d'introduc-30 tion (10) étant disposés de manière à introduire cette substance dans l'écoulement de plasma au niveau d'une zone d'introduction ( 11) , et un support de pièce (12) maintenant la pièce (13) dans l'écoulement de plasma, ce support de pièce (12) étant disposé 35 en aval de la zone d'introduction (11). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le système d'aspiration (9) est prévu pour entretenir dans l'enceinte (8) une pression comprise entre 1 et 0,05 mm de mercure. 70 17833 8 2088088 7. Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé par le fait que le générateur de plasma est agencé, notamment en ce qui concerne sa tvyère (o), de sorte que, pour la pression statique régnant dans l'enceinte (8), la vitesse de l'écoulement de 5 plasma soit de l'ordre de Mach 0,8. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé par le fait que plusieurs substances sont introduites dans l'écoulement de plasma. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 10 8, caractérisé par le fait que la distance entre la zone d'introduction (11) et la pièce (13) est fixée en fonction de la. constitution du fluide plasmagène et de la constitution de la substance introduite, cette distance étant telle qu'au niveau de la pièce (13) le coefficient de dissociation de la substance intro- 15 duite soit maximal et que la diffusion de cette substance dans le volume de l'enceinte (8) soit encore limitée à une valeur négligeable. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que la pièce (13) est orientée de 20 manière telle que les surfaces sur lesquelles doit être effectué le dépôt sont orientées perpendiculairement ou approximativement perpendiculairement à la direction de l'écoulement de plasma. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 10, caractérisé par le fait que certaines surfaces de la 25 pièce (13) sont masquées. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 11, caractérisé par le fait que le support de pièce (12) comporte un mécanisme permettant de modifier la position de la pièce (13) pendant son exposition à l'écoulement de plasma, ou 30 d'exposer successivement plusieurs pièces (13) à l'écoulement de plasma. 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 12, caractérisé par le fait que les moyens d'introduction (10) comportent une première source d'énergie — constituée par un 35 réchauffeur (10a)— capable de porter la substance à introduire à l'état gazeux, et une seconde source d'énergie — constituée par un arc électrique (10b) — placée dans la zone d'introduction (11) et capable d'activer la dissociation de la substance introduite. 40 14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 70 17833 9 2088088 a 13, caractérisé par le fait que le fluide plasmagène est neutre vis-à-vis de la substance introduite. 15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 13, caractérisé par le fait que le fluide plasmagène réagit 5 avec la substance introduite pour obtenir le dépôt d'un corps composé résultant de la réaction de surface entre le fluide plasmagène et la substance introduite. 16. Procédé ou dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé par le fait que la substance intro- 10 duite est de l'acétylène, le dépôt obtenu étant un dépôt de carbone. 17. Procédé ou dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé par le fait que la substance introduite est un composé chloré de tungstène, d'antimoine, de bore, 15 de titane ou de silicium, les dépôts obtenus étant respectivement des dépôts de tungstène, d'antimoine, de bore, de titane, de silicium. 18. Procédé ou dispositif, respectivement selon la revendication 4 ou 8, caractérisé par le fait que les substances intro- 20 duites sont de l'acétylène et de 1'hexachlorure de tungstène, le dépôt obtenu étant un dépôt de carbure de tungstène.