Brevet FR2458973A1 — publié le 19810102

- 1 - La présente invention concerne un procédé et un appareil pour la pulvérisation de matière sur un substrat à l'arcplasma o des poudresdans un état plastifié sont dirigées à des vitesses élevées contre un substrat à revêtir. Les techniques de pulvérisation thermiques s-3nt bien connues et se sont avérées très utiles pour l'applica- tion de revêtements durables sur des substrats métalliques. Une grande variété d'alliages métalliques et de compositions céramiques ont été appliqués au moyen des techniques connues. Un certain nombre de ces alliages et compositions sont discutés dans les publications citées ci-après et également dans la description. Tous ces procédés de pulvérisation thermiques impliquent la création d'un milieu porteur à température élevée dans lequel les poudres de la matière de revêtement sont injectées. Les poudres sont ramolient à la chaleur o fondues dans le milieu porteur et sont propulsées contre la surface d'un substrat à revêtir. Les températures et les vitesses des milieux porteurs sont extrêmement élevées et les durées de séjour des poudres dans ces milieux porteurs sont courtes. Un appareil représentatif de cette technique de revêtement est décrit dans les brevets US numéros 2 960 594, 3 145 287, 3 851 140 et 3 914 573. Tous ces brevets cités ci-dessus décrivent un appareil o le milieu porteur est un courant de particules de plasma à température extrêmement élevée * Un tel courant de plasma est typiquement créé dans un arc électrique. Un gaz inerte, tel que l'argon ou l'hélium, passe au travers d'un arc électrique et est excité par celui-ci, augmentant l'état d'énergie de particules de gaz jusqu'à l'état de plasma. De très grandes quantités d'énergie sont transmises de cette façon au milieu porteur. Les grandes quantités d'énergie sont nécessaires pour permettre l'accélération du milieu gazeux pour atteindre des vitesses élevées et permettre le chauffage des poudres de revêtement qui sont ultérieurement injectées dans le plasma. Dans un appareil typique, par exemple celui décrit dans le brevet US numéro 3 145 287, un arc électrique pour former le plasma est amorcé à partir d'une cathode en forme -2- d'aiguille vers une anode cylindrique. L'arc entre la cathode et l'anode s'étend en avant dans l'anode cylindrique. Le gaz inerte est fo: q au travers de l'arc électrique et un courant de plasma est-.formé. Ce courant se caractérise par un profil thermique comprenant un pic de température élevée au centre du courant. Des longueurs d'anode de l'ordre de 2,54 cm et 0,635 cm sont citées dans le brevet US numéro 3 145 287 et dans-e brevet US numéro 3 851 140 et sont considérées comme étant typiques des générateurs de plasma moderne. Les tempé- ratures maximum du plasma à l'anode sont de l'ordre de 11095a C ou davantage, nécessitant un refroidissement de l'ano- de pour empêcher une détérioration thermique rapide de la structure. De l'eau de refroidissement circule habituellement autour de l'anode dans ce but. Les poudres de la matière de revêtement à appliquer sont injectées dans le courant de plasma soit à l'extrémité de l'anode.comme dans le brevet US numéro 3 145 287 et dans le brevet US numéro 3'914 573, soit à l'extrémité immédiatement en aval comme dans le brevet US numéro 3 851 140.Les poudres de préférence restent dans le courant de plasma pendant une pé- riode de temps suffisante pour être ramollies ou plastifiées mais pas suffisante pour être fondues ou vaporisées. L'accélération des poudres de la matière de revêtement jusqu'à des vitesses élevées à l'approche du substrat est reconnue comme étant souhaitable. L'augmentation de la vitesse différentielle relative entre le plasma et les poudres et l'augmentation de la durée de séjour des poudres dans le courant de plasma sont deux techniques pour atteindre ce but. Comme moyen pour augmenter la vitesse différentielle, de nom- breux scientifiques et ingénieurs ont proposé l'injection des poudres dans des courants de plasma supersonique. Le brevet US numéro 3 914 573 est un exemple représentatif de ces principes et suggère des vitesses de plasma de l'ordre de Mach 1 à Mach 3. D'autres ont suggéré d'emprisonner le cou- rant à température élevée plasma/poudre dans un élément tubulaire en aval de l'anode. Le brevet US numéro 3 851 140 est un exemple de ces principes. Bien que beaucoup de procédés et appareils décrits dans les publications citées ci-dessus ont une utili- -3- té dans l'industrie desrevêtements, la recherche se poursuit pour découvrir des procédés et appareils de revêtement encore plus perfectionnés, particulièrement ceux capablesde produire des revêtements de qualité améliorée avec des vitesses de dépôt accrues de la matière. Il est un but principal de la présente invention de réaliser des procédés et des appareils pour déposer des matières de revêtement sur des substrats. Des revêtements de qualité élevée et des vitesses de dépôt rapides de la matière sont recherchés. Selon un aspect spécifique de l'invention, il est un but de permettre un accélération adéquate des poudres du revêtement dans le courant de plasma tout en faisant passer le poudre dans un état plastifié mais non fondu. Des vitesses de fourniture de la poudre de l'ordre de 3,65 kg /heure ou davantage sont souhaitées. Selon la présente invention, la valeur du Pic thermique dans le profil de température au travers du courant de plasma émanant d'un générateur d'un appareil de pulvérisation par-plasma est sensiblement réduit et la température moyenne du courant de plasma est significati- vement abaissée avant l'introduction des poudres de revête- ment dans le courant de plasma. Selon-un appareil détaillé, un dispositif de pulvérisation par plasma est formé à partir d'un générateur de plasma habituel auquel on a fixé une buse comprenant une zone de refroidissement de plasma, une zone d'accéléra- tion du plasma, une zone d'injection de la poudre et une zone d'emprisonnement du courant plasraboudre. Une caractéristique principale de la présente invention est la zone de refroidissement du plasma dans l'assemblage de buse. Une autre caractéristique est la zone d'accélération du plasma. A la fois les zones de refroidissement du plasma et d'accélération du plasma sont disposées dans la buse en amont du point o les particules de matière de revêtement peuvent être injectées dans le courant de plasma. Dans un mode de réalisation deux orifices d'injection de particules diamétriquement opposés sont prévus pour l'admission des particules de revêtement dans h 4- courant de plasma. Le mélange plasma/particulespeut être déchargé depuis la buse au travers d'une zone d'emprisonne- ment du mélange située en aval des orifices d'injection des particules. Un passage allongé s'étend longitudinalement au travers des zones de la buse. Un milieu de refroidisse- ment tel que l'eau peut circuler autour de la structure de la buse qui forme le passage. Dans la zone d'accéléra- tion la surface de la section transversale du passage selon un mode de réalisation est réduite d'environ un quart de la surface de la section transversale du passage dans la zone de refroidIssement. La surface de la section transversale du passage dans la zone d'emprisonnement du même mode de réalisation est environ six fois la surface de la section transversale du passage à l'endroit o se -trouvent les orifices d'injection de la poudre. Le principal avantage de la présente invention est la capacité de l'appareil et du procédé décrit d'appli- quer des revêtements de qualité élevée avec des vitesses de dépôt élevées. Une élimination substantielle du pic de température élevée dans le profil thermique dans le noyau du courant de plasma dans la zone d'injection permet un chauffage uniforme des particules injectées et un courant par conséquent plus homogène de particules plastifiées. Une diminution de la température moyenne de plasma jusqu'à environ 66500C au point d'injection des particules permet une rétention des particules de poudre dansle courant de plasma tout en faisant passer les poudres dans un état plastifié mais non fondu. Des durées de séjour plus longues des particules dans le courant de plasma ont pour effet d'accélérer les particules de poudre pour les projeter à des vitesses approchant de plus près les vitesses du plasma que dans le cas des appareils connus dans la technique. Des structures de revêtement optimum, dans une variété de systèmes de revêtement peuvent être produites avec une bonne adhérence de la matière et une densité uniforme. La récupération de la perte de vitesse au cours de l'étape de refroidissement et l'accélération ultérieure du plasma au-delà de sa vitesse initiale augmente la vitesse différentielle entre le courant de plasma et les -5- poudres injectées. Ces avantages sont,en outre,obtenus avec des améliorations simultanées de l'économie et de la sureté du procédé. Pour que l'invention puisse être mieux comprise, référence est faite aux figures suivantes o: La figure 1 est une vue simplifiée en coupe de l'appareil décrivant les principes de la présente invention. la figure 2 est une représentation par diagramme du profil de température du plasma aux diverses stations le long du passage au travers de la buse. et la figure 3 est un graphique représentant la vitesse du plasma et des particules. de poudre le long du passage au travers de la buse. L'appareil de pulvérisation à l'arc plasma de l'invention est décrit en détail dans la figure 1. L'appareil comprend principalement un générateur de plasma 10 habituel du type mentionné dans les publications citées précédemment et un prolongement de buse 12. Le générateur est capable de produire un courant à vitesse élevée de plasma de haute énergie et le prolongement de buse fonctionne avec ce courant en préparant le plasma pour l'injection de particules de poudre de la matière de revêtement à pulvériser. Les éléments principaux du générateur 10 sont une cathode 14 en forme d'aiguille et une anode 16. Une paroi cylindrique 18 de l'anode définit un passage 20 au travers de l'anode. La paroi cylindrique est adaptée pour recevoir un arc électrique émanant de la cathode. Le générateur en outrecomprend un dispositif 22 pour le passage d'un milieu gazeux tel que l'hélium ou l'argon au travers de l'arc électrique entre la cathode et l'anode pour créer le plasma de vitesse élevée et de haute énergie. Dans le mode de réalisation de l'invention décrit, le générateur doit être capable de produire un courant de plasma qui se caractérise par une vitesse moyenne de plasma de l'ordre de 610m par seconde et une température moyenne de plasma dans le courant dans l'ordre de 83150C. Le chalumeau Metco 3MB Plasma Gun avec buse G est connu dans l'industrie comme étant capable de produire un tel cou- -6- rant. Il est vraisemblable que d'autres chalumeaux à arc plasma ont une utilité pour la mise en oeuvre des principes de l'invention. Pour autant que ces chalumeaux produisent des courants différant par] eurspropriétés de celui du chalumeau Metco Gun, des changements correspondant dans le détail du modèle de prolongement de buse sont anticipés. Néanmoins, un tel prolongement de buse modifié comportera des caractéristiques principales décrites ci-après. Le prolongement de buse 12 vient directement contre le géné- rateur 10 et comprend un passage allongé 24 qui est en alig- nement avec le passage 20 passant au travers de l'anode du générateur. Comme on peut le voir, le passage 24 s'étend au travers d'un élément 25 tubulaire. L'effluent du géné- rateur peut être déchargé directement dans le passage 24 du prolongement. Un conduit 26 est adapté pour le passage d'un milieu de refroidissement tel que l'eau au travers de ce prolongement. Une zone de refroidissement de plasma 28 est disposée à l'extrémité en amont du passage 24 et est prévue pour réduire la température du plasma avant l'injection des particules de matière de revêtement. Le passage 24 à l'endrdt dela zone de-refroidissement s'étend sur une longueur axiale d 'environ 2,54 cm et a un diamètre de 0,728cm Le diamètre du passage à la-zone de refroidissement et le diamètre du passage de l'anode avec laquelle le prolongement est en alignement sont réalises de façon à correspondre. Dans le mode de réalisation décrit, la surface de la section transversale du passage 24 à la zone de refroidisse- ment est inférieure à la surface de la section transversale définie par la paroi cylindrique 18 de l'anode o l'arc électrique est amorcé. Les autres dimensions géométriques et paramètres sont réalisés à partir de ces dimensions de base. Une zone d'accélération du plasma 30 le long du passage 24 immédiatement en aval de la zone de refroidisse- ment est prévue pour accélérer le courant de plasma refrddi. Dans ce mode de réalisation la zone d'accélération n'est pas seulement adaptée pour récupérer la vitesse perdue dans la zone de refroidissement mais est adaptée pour accélérer le plasma refroidi pour atteindre des vitesses -7dépassant de loin la vitesse du plasma pénétrant dans le prolongement de buse. Dans la zone d'accélération de la buse représentée, le diamètre du passage est réduit jusqu'à environ 0,386cm à partir d'un diamètre initial de 0,728cm. Ceci représente une diminution de surface de section transversale d'environ 1/4, bien que des diminutions de surface quelque peu supérieures ou inférieures vraisembla- blement agiront également. Une zone 32 d'introduction des particules de poudre le long du passage 24 immédiatement en aval de la zone d'accélération 30 est prévue pour l'injection desparticules de poudre de la matière de revêtement dans le courant de plasma refroidi et accéléré. Les particules peuvent s'écouler dans le passage par un ou plusieurs orifices 34 d'injection de poudre. Deux orifices de poudre diamétriquement opposés sont représentés. Avec deux orifices comme il est décrit, des vitesses de fourniture de poudre de l'ordre de 3,65 kg par heure peuvent être atteintes. Le passage dans la zone d'introduction a un diamètre d'environ 0,386 cm. Les vitesses du plasma pénétrant dans la zone d'introduction sont de l'ordre de 3353-4267 m par seconde. Une zone 36 d'emprisonnement du courant de plasma/ particulesest prévue le long du passage 24 en aval de la zone d'introduction des particules pour permettre aux parti- cules d'être accélérés par le courant de plasma avant que ces particules ne soient projetées hors de l'appareil. La zone d'emprisonnement s'étend sur une distance d'environ 2,54 cm en aval du point d'introduction de la poudre. Le passage 24 dans la zone d'emprisonnement s'ivase pour attein- dre un diamètre d'environ 0,939 cm à l'extrémité de l'assem- blage de buse. Ceci représente une augmentation de la surface dela section transversale depuis la zone d'injection d'envi- ron six fois la surface de la zone d'injection. Des vitesses de particules de l'ordre de 610 m par seconde peuvent être atteintes dans l'appareil décrit. Ainsi qu'il a été décrit précédemment, l'effluent à partir duquel le prolongement de buse peut fonctionner se trouve dans un état d'énergie élevée. L'arc électrique entre la cathode et l'anode romptla structure moléculaire du gaz -8- pour produire un courant de plasma contenant un assemblage d'ions, d'électrons, d'atomes neutres et de molécules. Le courant se caractérise par une température moyenne et un pic thermique dans le noyau du courant qui dépasse grande- ment la température moyenne, peut-être d'un tiers. Le profil de température au travers du courant est représenté dans la figure 2 et le pic mermique peut aisément être vu dans la représentation à l'extrémité en amont de la zone de refroidissement de plasma 28. Lorsque le plasma passe au'travers de la zone de refroidissement, la températu- re moyenne est réduite de l'ordre de 11100C ou dix à quinze pourcents à partir d 83150C jusqu'à 72050C. D'importance égale la température du plasma dans le noyau est même réduite plus fortement depuis 110950C ou davantage jusqu'à environ 83150C ou à moins de 11100C ou environ 15% de la température moyenne de plasma dans cette région. Lorsque le plasma passe au travers de la zone d'accélération, ce plasma a atteint une température typiquement uniforme de l'ordre de 66500C. Une élimination substantielle du pic thermique pour obtenir un profil de température de plasma presque uniforme au point d'injection de b.poudre est importante. La normalisation décrite ci-dessus de la température de plasma est représentée dans.la figure 2. Des poudres sont injectées dans le courant de plasma par les orifices 34 et sont chauffées par le plasma. Les particules sont accélérées par Te plasma. Des vitesses approximatives du plasma ou du gaz (courbe A) et des particules (courbe B) sont représentée dans la figure 3. Lorsque les particules se déplacent vers l'aval au travers de l'assemblage de buse les particules de poudre sont chauffées jusqu'à atteindre un état plastifié. Le profil de température pratiquement uniforme du plasma a pour effet que toutes les particules sont chauffées pour atteindre le même degré de ramollissement et un courant homogène de particules émanant de la buse en résulte. Les vitesses du courant de refroidissement vers le prolongement de buse sont contrôlées pour obtenir des poudres plastifiées dans le courant au point d'incidence sur le substrat à revêtir. La température moyenne du plasma sortant du prolongement de buse est de l'ordre de 55370C -9- soit les deux tiers de la température moyenne de départ. L'appareil particulier décrit a été spécifique- ment développé pour le dépôt de poudres d'alliage de nickel ou d'alliages de cobalt teb que ceux désignés par lacomposition NiCrAlY décrites cidessous 14 - 20 % en poids de chrome, 11 - 13 % en poids d'aluminium, 0, 10 - 0,70% d'yttrium, 2 % au maximum de cobalt et le complément est du nickel. Des particules ayant des dimensions de l'ordre de 5 à 45 microns ont été appliquées avec succès. En outre, le prolongement de buse convient parfaitement pour le dépôt d'alliagesdutype" Stellite Alloy No.6" de Haynes, un alliage très dur que l'on peut obtenir de la Stellite Division de Cabot Corporation, Kokomo, Indiana, (USA). L'alliage de Stellite Alloy No. 6 est utilisé dans l'industrie automobile comme, par exemple, matière de revêtement amélcrant la résistance à l'usure des soupa- pes des moteurs à combustion. Le principe de la présente invention permet de communiquer des niveaux d'énergie élevés au départ au courant de plasma en accélérant le courant dans les passages. Bien que des diminutions de la température du plasma le long du passage peuvent être obtenues en rédui- sant l'énergie fournie au générateur, l'énergie résultante du courant du plasma est réduite de façon correspondante et les effets de l'accélération du plasma sur la poudre ne sont pas aussi grands. La capacité du plasma d'accélérer rapidement dans le générateur n'est pas gênée par la diminuation de la température de plasma dans le- prolongement de buse. Ces spécialistes en la matière admettront que des mesures de température et de vitesse empiriques dans un courant de plasma sont inconnues dans la technique pour obtenir une mesure précise. Le déposant a par consé- quent quantifié analytiquement des conditions et états dans le courant de plasma pour aider à comprendre les - 10 - principes de l'invention enseignés. Les températures et vitesses réelles peuvent varier de celles indiquées dans la description sans sortir du cadre de l'invention. Bien entendu diverses modifications peuvent être approtées par l'homme de l'art aux procédés et appareils qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. - il - Revendications: 1. Procédé de pulvérisation thermique pour appli- quer une matière à température élevée sur un substrat du type o la matière à appliquer est portée vers le substrat dans un courant de plasma de haute énergie, caractérisé par le perfectionnement qui consiste à: fournir un courant de plasma à température élevée se caractérisant par une température moyenne au travers du courant et un pic- de température au centre du courant qui a une valeur d'environ un tiers supérieure à la tempé- rature moyenne. réduire la température moyenne du courant créé d'environ 10 à 15 pourcents et réduire la valeur du pic de température jusqu'à être à moins de 15% de la température moyenne réduite, introduire des poudres de cette matière à haute température à appliquer dans le courant de plasma à température réduite, emprisonner le courant de plasma et de poudres introduites dans un passage allongé; accélérer et chauffer ces poudres intro- duites dans le passage allongé, réduire encore davantage la température moyenne du courant créé dans le passage allongé pour obtenir environ deux tiers de la température moyenne de départ, et projeter ces poudres accélérées et chauffées hors de ce passage allongé et diriger ces poudres contre le substrat à revêtir. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de réaliser un courant de plasma à température élevée consiste à réaliser un courant qui se caractérise par une température moyenne au travers du courant d'environ 110950C et un pic de température au centre du courant supérieur à 110950C et o l'étape de réduire la température moyenne du courant créé comprend les étapes de réduire là température moyenne du courant créé jusqu'à 72050C et réduire a valeur du pic de tempé- rature au centre du courant jusqu'à moins de 11100C de la température moyenne réduite. 3. Procédé selonl'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape d'accélé- rer le plasma à température réduite avant l'étape d'intro- duire les poudres de cette matière à température élevée. - 12 - 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'étape d'accélérer ce plasma à température réduite comprend l'étape d'accélérer ce plasma à température réduite jusqu'à atteindre une vitesse de 3 353- 4 267 m/sec. 5. Un générateur de plasma et dispositif de pulvé- risation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, du type pour déposer des particules de matière de revêtement sur un substrat et du type o les particules de revêtement sont chauffées et accélérées par un courant de plasma créé dans l'appareil, caractérisé par le perfectionnement en ce qu'il comprend un générateur de plasma capable de produire un effluent de courant de plasma avec une vitesse de moyenne de plasma dans le courant approchant 610 m par seconde et une tempé- rature moyenne de plasma de 83150C; et une buse refroidissa- ble comprenant un passage allongé qui est adaptée pour recevoir cet effluent de plasma ayant une vitesse moyenne de 610 m par seconde et une température moyenne de 83150C o cette buse comprend un dispositif à l'extrémité en amont du passage pour réduire la température moyenne du courant de plasma, un dispositif le long du passage immédiatement en aval de ce dispositif réducteur de la température pour acçélérer ce plasma à température réduite jusqu'à atteindre une vitesse moyenne dépassant la vitesse moyenne du plasma à l'extrémité en amont de ce dispositif réducteur de tempé- rature, un disppsitif le long du passage immédiatement en aval de ce dispositif d'accélération pour l'admission des particules du revêtement dans le plasma refroidi et accéléré, et un dispositif le long du-passage immédiatement en aval de ce dispositif d'admission de particules pour emprisonner ces particules dans le courant de plasma refroidi et accélé- ré pendant une période de temps suffisante pour permettre auxparticules d'être chauffées jusqu'à atteindre un état plastifié. 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que la surface de la section transversale de ce passage est réduite jusqu'à environ unquart de la surface de la section transversale de ce passage au dispositif réducteur de la température. - 13 - 7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé à ce que la surface de la section transversale de ce passa- ge au dispositif emprisonnant le courant est d'environ six fois supérieureâ la surface de la section transversale du passage au dispositif d'admission des particules. 8. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que ce générateur comprend une cathode en forme d'aiguille et une anode ayant une paroi cylindrique vers laquelle un arc électrique est amorcé au cours du procédé de création du plasma et au travers de laquelle un courant de plasma peut passer et caractérisé en ce que le passage à ce dispositif pour réduire la température du plasma créé a une surface de la section transversale qui est plus grande que la surface de la section transversale formée par cette paroi cylindrique de l'anode.- 9. Appareil selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que le passage au dispositif réducteur de température a un diamètre de 0,728 cm, une géométrie de la section transversale circulaire, et une longueur axiale d'environ 2,54 cm. 10. Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce que ce passage au dispositif d'accélération a un diamètre d'environ 0,728 cm, une géométrie de la section transversale circulaire, à son extrémité en amont et à environ un diamètre de 0,386 cm, une géométrie de la section transversale circulaire à son extrémité en aval. 11. Appareil selon la revendication 10, caractérisé en ce que ce passage au dispositif d'admission des particules a un diamètre approximatif de 0, 386 cm, une géométrie de la section transversale circulaire, et au moins une ouver- ture le long de ce passage au travers de laquelle les particules de cette matière de revêtement peuvent écoulées dans ce plasma refroidi et accéléré. 12. Appareil selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend deux ouvertures disposées diamétriquement à l'opposé l'une de l'autre le long de ce passage. 13. Appareil selon l'une quelconque des revendications 11 et 12, caractérisé en ce que ce passage au dispositif d'emprisonnement du courant a une géométrie de la section -14 - transversale circulaire d'un diamètre supérieur au diamètre du passage au dispositif d'admission. 14. Appareil selon la revendication 13, caracté- risé en ce que ce passage au dispositif d'emprisonnement a un diamètre d'environ 0,939. 15. Appareil selon l'une quelconque des revendi- cations 13 ou 14, caractérisé en ce que ce passage au dispositif d'emprisonnement s'étend sur une distance de 2,54 cm en aval des ouvertures au travers desquelles passent les particules de revêtement 16. Appareil selon la revendication 14, caracté- * risé en ce que ce passage dans le dispositif d'emprisonne - ment s'étend sur une distance d'environ 2,54 cm en aval des ouvertures au travers desquelles passent les particules de revêtement. 17. Appareil selon l'une quelconque des revendi- cations 5 à 17, caractérisé en ce que ce dispositif pour accélérer le plasma à température réduite est capable d'accélérer ce plasma à température réduite jusqu'à atteindre une vitesse de 3 353 - 4 267 m par seconde. -25