Brevet FR2465009A1 — publié le 19810320

L'invention concerne un procédé pour vaporiser des alliages fondus de métaux ayant des tensions de vapeur différentes de creusets d'évaporation alimentés en continu et à grande surface par bombardement direct de la surface du bain d'alliage dans le creuset par des rayons électroniques focalisés et déviés périodiquement suivant un motif et déposer l'alliage sur un grand nombre de substrats disposés dans un champ au-dessus du creuset d'évaporation avec adaptation locale de la densité énergétique à l'économie thermique du bain d'alliage fondu. Par l'imprimé "High Temperature Resistant Coatings for Superalloy", auteurs Richard P. Seelig et Dr. Richard J. Stueber, de la Chromalloy American Corporation, New York, Etats-Unis d'Amérique, il est connu de couvrir des ailettes de turbine à gaz avec des revêtements de CoCrAlY et NiCoCrAlY, par exemple, qui résistent à l'oxydation et à la corrosion. La couche ou les couches de chaque ailette doivent dans ce cas être sensiblement homogènes, c'est-à-dire que leur composition ne doit pas changer du début jusqu'à la fin du processus de vaporisation. Dans la mesure où le procédé est à mettre en oeuvre à l'échelle industrielle, plusieurs ailettes doivent être métallisées simultanément dans un cycle de métallisation. Cela demande des creusets d'évaporation de grande surface.Les variations d'épaisseur et de composition de la couche de revêtement appliquée sur les différents substrats (ailettes) ne doivent pas dépasser des tolérances relativement serrées. Or, on sait que les processus de métallisation au vide sont sujets aux effets dits "de bord", ce qui veut dire que l'épaisseur et la composition de la couche de revêtement déposée sur les substrats se trouvant au bord du creuset d'évaporation diffèrent généralement de celles de la couche déposée sur les substrats situés au milieu. Pour éviter la diminution de l'épaisseur de couche vers le bord, il est connu de prolonger la durée de séjour ou d'impact d'un rayon électronique oscillant au-dessus de la surface du bain aux deux extrémités du creuset. Cette seule mesure ne permet cependant pas de résoudre le problème des différences de composition. Il est en outre connu, par la demande de brevet publiée DT-AS 2 047 138 de la République Fédérale d'Allemagne, de guider un rayon électronique partiellement focalisé sur toute la surface du bain suivant un motif de déviation ou de balayage déterminé. Pour compenser des différences de densité énergétique aux différents points d'impact du rayon électronique, il est recommandé, dans cette demande, de rendre les durées d'impact aux différents points d'impact réglables indépendamment les unes des autres. Cette mesure a toutefois comme but principal de compenser l'influence nuisible de variations de l'angle de déviation sur la géométrie du rayon respectivement la grosseur du foyer ou tache cathodique. Cette grosseur elle-même n'est pas corrigée et est laissée au hasard. Ce procédé connu ne convient donc pas pour déposer des couches d'alliage homogènes sur un grand nombre de substrats à partir de creusets d'évaporation de grande surface.A cet égard, il faut tenir compte du fait que, dans une vaporisation d'un alliage, la composition de la couche déposée dépend essentiellement du niveau de température de la surface dégageant la vapeur du bain d'alliage, donc de la densité énergétique, alors que l'épaisseur de la couche déposée est déterminée essentiellement par la durée d'impact du rayon électronique sur la surface du bain. L'invention vise par conséquent à créer un procédé du type indiqué au début, par lequel le décalage dans l'espace de la composition de l'alliage et de l'épaisseur de la couche puisse être évité dans une large mesure et par lequel il soit possible de produire des couches homogènes, non seulement sur des substrats pris individuellement mais aussi sur tous les substrats d'une même charge. A cet effet, le procédé de l'invention est essentiellement caractérisé en ce qu'au moins un rayon électronique est dévié sur au moins deux champs de rayonnement F1, F2 > ... sensiblement rectangulaires situés sur la surface du bain, en sautant périodiquement de l'un à l'autre avec une fréquence de saut de tout au plus 10 Hz, de préférence de tout au plus 5 Hz, et est guidé dans chacun de ces champs suivant une trame de lignes avec une fréquence d'au moins 100 Hz, de préférence d'au moins 300 Hz, la durée de séjour ou d'impact du rayon électronique dans chacun des champs, désignée respectivement par T1, T2, ..., étant choisie de manière que les rapports des aires de surface des champs de rayonnement F1 > F2, ... et les rapports des durées d'impact T1, T2, ... puissent être ajustés librement indépendamment les uns des autres et en ce que la somme des aires de tous les champs de rayonnement est comprise entre 10 et 80, de préférence entre 30 et 70% de l'aire de la surface du bain. Expriméede façon simplifiée, l'invention consiste à permettre d'ajuster sélectivement, donc indépendamment l'une de l'autre la grandeur des champs de rayonnement et les durées d'impact du rayon dans ces champs. En d'autres termes : l'ajustement de la grandeur des différents champs de rayonnement et l'ajustement des durées d'impact du rayon dans ces champs sont désaccouplés l'un de l'autre. L'ajustement des durées d'impact ne sert plus - comme dans l'objet de la demande de brevet précitée par exemple - à compenser les différences aléatoires du diamètre du foyer, il peut même être effectué dans le sens contraire. Les différences entre la fréquence de saut d'une part et la fréquence de balayage de la trame de lignes d'autre part ont également une grande importance dans le procédé de l'invention.Comparativement à la fréquence de balayage de la trame de lignes, la fréquence de saut est sciemment maintenue basse afin qu'une influence dans le sens désiré puisse ainsi être exercée sur la vaporisation respectivement la condensation des différents composants d'alliage. Le mécanisme de l'effet produit par cette mesure n'a pas été exploré dans le détail mais on peut supposer qu'une durée d'impact relativement longue du rayon dans les différents champs entratne une vaporisation préférentielle de certains composants d'alliage et un freinage de la vaporisation d'autres composants d'alliage. Cet effet n'a pas été observé à une fréquence de saut supérieure à 10 Hz. Il importe en outre que la somme des aires de tous les champs de rayonnement soit comprise entre 10 et 80, de préférence entre 30 et 70"1, de l'aire de la surface du bain. I1 a en effet été constaté que les parties de la surface du bain non occupées par les champs de rayonnement contribuent également pour une part importante au taux de vaporisation global.On peut supposer que des métaux à bas point d'ébullition tels que le chrome s'évaporent préférentiellement des parties de surface non bombardées par le rayon électronique, tandis qu'une évaporation comparativement plus élevée des métaux à point d'ébullition élevé se produit dans les champs de rayonnement, ctest-a-dire dans les parties de surface bombardées par le rayon électronique, ce qui permet de produire une certaine égalisation. Le niveau des fréquences et la grandeur des champs de rayonnement peuvent être trouvés, entre les limites indiquées, par simples tâtonnements. Les valeurs pour les différents champs et les durées d'impact peuvent être déterminées aussi par de simples essais. Selon d'autres caractéristiques avantageuses du procédé de l'invention : - en cas d'utilisation d'un creuset d'évaporation rectangulaire, les différents champs de rayonnement F1, F2, ... sont disposés l'un derrière l'autre dans le sens de la longueur du creuset; - en cas de disposition sur la surface du bain de champs de rayon nement F1, F2, ... de différentes grandeurs, les champs sont disposés symétriquement par rapport au milieu du bain (selon le schéma F1, F2, ... - ... F2, F1); - les champs de rayonnement les plus grands sont disposés à I'extérieur, le rapport des aires de surface Fl:F2 étant compris entre 1,2:1 et 5::1, et la durée d'impact la plus longue T1 du rayon électronique est attribuée aux champs extérieurs, le rap port des durées d'impact T1:T2 étant compris entre 1,2:1 et 3:1; - le rapport des aires de surface F1:F2 = 2:1 et le rapport des durées d'impact T1:T2 = 2:1; - les champs de rayonnement sont disposés chevauchants sur la sur face du bain; - l'interligne dans au moins un champ est changé par la variation de l'une des dimensions du champ, avec adaptation de l'inter lignage par unité de longueur au besoin d'énergie local. Selon d'autres caractéristiques encore, le procédé est appliqué au revêtement par métallisation au vide d'ailettes de turbine avec des couches d'alliage résistant à la corrosion et l'oxydation ou au revêtement par métallisation au vide d'ailettes de turbine à gaz avec des alliages du groupe CoCrAlY et NiCoCrAlY. Les possibilités d'intervention sur les canons électroniques nécessaires à la mise en oeuvre du procédé en ce qui concerne la déviation du rayon et la durée d'impact sont bien connues au spécialiste. Les canons électroniques habituels possèdent à cet effet un système de déviation suivant les coordonnées X-Y et un circuit de commande - de préférence programmable - conjugué à ce système, par lesquels le rayon électronique peut être dévié suivant pratiquement tout motif souhaité. I1 est ainsi possible, par exemple, de balayer une aire rectangulaire avec une trame de lignes, comme cela est connu pour les tubes image. La grandeur des rectangles peut être modifiée par la variation de la tension de déviation.La fréquence de répétition peut rester la même pour les différents champs de rayonnement; une durée d'impact plus longue peut, dans ce cas,être obtenue par le balayage à plusieurs reprises du même champs de rayonnement. La délimitation des champs eux-mêmes peut s'effectuer à la fréquence de réseau, par exemple, tandis que le saut périodique du rayon d'un champ de rayonnement à l'autre peut s'effectuer à intervalles d'une ou de plusieurs minutes. L'application du procédé de l'invention - en particulier avec maintien des rapports des aires des champs de rayonnement et des rapports des durées d'impact dans les domaines indiqués - permet d'obtenir des couches homogènes, c'est-à-dire des couches d'épaisseur uniforme et de composition uniforme, également sur un grand nombre de substrats. Il en est également ainsi lorsqu'il s'agit de déposer des couches superficielles difficiles à réaliser de CoCrAlY et NiCoCrAlY.Les couches déposées sur des ailettes de turbines à gaz doivent avoir, par exemple, la composition suivante Cobalt = 72,0% Chrome = 17,0% Aluminium = 10,0% Yttrium = 0,4% I1 est avantageux que le matériau-de départ utilisé pour réaliser les couches superficielles et d'où est formé le bain contenu dans le creuset d'évaporation possède dans ce cas la composition suivante Cobalt = 65,0% Chrome - 22,0% Aluminium = 12,0% Yttrium = 0,4% Au sein même du bain, les rapports se modifient en partie considérablement.Par exemple, une valeur moyenne de la composition du bain, trouvée par analyse, est la suivante Cobalt = 70,0% Chrome = 26,0% Aluminium = 13,0'1. Yttrium = 0,3% Lorsqu'on observe, par exemple, une augmentation de la teneur en chrome sur les substrats situés à l'intérieur (audessus de la partie centrale du bain), il convient de réduire surtout l'aire de rayonnement conjuguée éces substrats. Lorsqu'on constate une augmentation de l'épaisseur de la couche sur les substrats situés à l'intérieur, il convient de raccourcir surtout la durée d'impact du rayon dans les aires de rayonnement conjuguées aux substrats en question. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation non limitatif, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est une coupe verticale d'une installation de métallisation au vide pour le revêtement discontinu d'ailettes de turbine; - la figure 2 est une coupe prise suivant la ligne II-II de l'installation représentée sur la figure 1; et - la figure 3 est une vue en plan du creuset d'évaporation et de la surface du bain, sur laquelle sont situés des champs délimités par les rayons électroniques. La figure 1 représente une chambre à vide 10 qui présente sur le c8té gauche une bride de raccordement 11 pour sa liaison à un sas non représenté et une chambre de préchauffage qui n'est pas davantage représentée. A travers la bride de raccordement 11 s'détend un porte-substrats 12 qui est fixé à une pince de transport 13 et fait horizontalement saillie dans la chambre à vide 10. Sur le porte-substrats 12 sont fixés plusieurs substrats 14 sous forme d'ailettes de turbine > les ailettes étant disposées de manière qu'elles remplissent à peu pi. i complètement, à de faibles inter valles près, la surface horizontale qui leur est attribuée. Sous le porte-substrats 12 est disposé un creuset d'évaporation 15 qui est en métal et présente des canaux de refroidissement 16. Ce creuset contient un bain 17 de matériau fondu à vaporiser. Le remplacement dans le bain du matériau vaporisé s'effectue par un dispositif d'alimentation automatique non représenté. Le bain 17 est délimité en haut par une surface de bain 18. Ente la surface du bain et les substrats 14 est formé un espace 19 qui est à peu près parallélépipédique et à travers lequel le flux de vapeur dégagé par la surface 18 du bain monte vers les substrats 14. Dans une paroi supérieure 20 de la chambre à vide 10 sont disposés deux canons électroniques 21 et 22 qui sont alimentés en énergie électrique par l'intermédiaire d'un dispositif de commande 23. Ce dernier fournît non seulement la haute tension nécessaire aux canons 21 et 22, il fournit également le courant de chauffage pour les cathodes des canons. Le dispositif de commande 23 produit en plus les signaux de déviation nécessaires pour le rayon dlectronique. Pour la déviation du rayon, les canons 21 et 22 sont munis d'un système de déviation suivant la coordonnée X 24 et un système de déviation suivant la coordonnée Y 25. Le système de déviation 24 se compose de deux pièces polaires 24a et 24b qui renferment entre elles un entrefer 26 traversé de lignes de champ.Dans cet entrefer, le rayon électronique peut être dévié d'un angle pouvant atteindre 90 ou davantage. Le système de déviation suivant la coordonnée Y ne produit qu'une déviation relativement faible du rayon et peut de ce fait être incorporé dans les canons électroniques 21 et 22, comme représentd en pointillé. Le creuset d'évaporation 15 possède un contour rectangulaire avec deux grands cotés 27 et deux petits cotes 28. Un petit axe de symétrie S divise le bain 17 en deux moitiés 17a et 17b. Les canons électroniques 21 et 22 sont disposés audessus de la surface 18 du bain et latéralement à l'extérieur des petits c8tés 28, de manière que leurs axes soient contenus dans un plan de symétrie du creuset i > qui est perpendiculaire au petit axe de symétrie S et correspond au plan de coupe de la figure 1. Les canons électroniques 21 et 22 produisent des faisceaux électroniques 35 et 36 qui, à partir du système de déviation X 24, rencontrent la surface 18 du bain sous un angle et délimitent sur cette surface, suivant les directions X et Y, des aires suivant un motif représenté sur la figure 3. Le rayon électronique 35 est conjugué 9 la moitié gauche 17a du bain et le rayon électronique 36 est conjugué à la moitié droite 17b du bain. Sur la figure 3 est représenté également le système de coordonnées X-Y. Sur la moitié gauche 17a du bain se trouvent deux champs de rayonnement F1 et F2 qui sont hachurés sur la figure 3 et sont balayés par le rayon électronique 35 suivant une trame de lignes; comme indiqué schématiquement dans le- champ de rayonnement F1 se trouvant à gauche. Le rapport des aires des champs de rayonnement F1:F2 correspond à peu près à 2:1. Le rapport entre la durée de séjour ou d'impact T1 du rayon électronique dans le champ de rayonnement F1 et sa durée d'impact T2 dans le champ F2 correspond à peu près à 2:1. Les mêmes rapports règnent également dans la moitié droite 17b du bain, qui est symétrique à la moitié gauche.Le rayon électronique saute périodiquement, après le temps d'impact fixé, T1 étant d'environ 60 s, de l'un à l'autre champ de rayonnement, les deux rayons électroniques 35-et 36 bombardant tout d'abord les champs F1 et sautant ensuite automatiquement aux champs F2. Cette commutation se répète périodiquement pendant toute la durée de la vaporisation. I1 est essentiel que les différents champs F1 et F2 soient délimités par un rayon électronique focalisé dont le foyer est obligatoirement beaucoup plus petit que les dimensions des champs. Far des amplitudes fixées avec précision des tensions de déviation, le motif des aires bombardées peut être défini avec une grande précision. I1 ne s'agit donc pas du foyer d'un rayon électronique diffus. Les dimensions des champs de rayonnement et les durées d'impact relatives peuvent également être modifiées, sélectivement pendant un cycle de vaporisation, afin de produire une variation dans le sens de llépaisseur de la couche déposée. Par exemple, le ctté substrat de la couche peut être réalisé en vue d'une adhérence optimale par diffusion et par le coefficient de dilatation, tandis que la surface extérieure de la couche peut être réalisée en vue d'une résistance maximale à la corrosion et à l'oxydation. REVENDICATIONS 1 1 - Procédé pour vaporiser des alliages fondus de métaux ayant des tensions de vapeur différentes de creusets d'évapo- ration alimentés en continu et à grande surface par bombardement direct de la surface du bain d'alliage dans le creuset par des rayons électroniques focalisés et déviés périodiquement suivant un motif et déposer l'alliage sur un grand nombre de substrats disposés dans un champ au-dessus du creuset d'evaporation, avec adaptation locale de la densité énergétique a l'économie thermique du bain d'alliage fondu, caractérisé en ce qu'au moins un rayon électronique est dévié sur au moins deux champs de rayonnement F1, F2 ... sensiblement rectangulaires situés sur la surface du bain, en sautant perio- diquement de l'un à l'autre avec une fréquence de saut de tout au plus 10 Hz, de préférence de tout au plus 5 Hz, et est guide dans chacun de ces champs suivant une trame de lignes avec une fréquence d'au moins 100 Hz, de-préférence d1au moins 300 Hz, la durée de séjour ou d'impact du rayon électronique dans chacun des champs, désignée respectivement par T1, T2, ...., étant choisie de manière que les rapports des aires de surface des champs de rayonnement F1 > F2 > ... et les rapports des durées d'impact T1, T2, ... puissent être ajustés librement indépendamment les uns des autres et en ce que la somme des aires de tous les champs de rayonnement est comprise entre 10 et 80, de préférence entre 30 et 70% de l'aire de la surface du bain. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, en cas d'utilisation d'un creuset d'évaporation rectangulaire, les différents champs de rayonnement F1, F2, ... sont disposés l'un derrière l'autre dans le sens de la longueur du creuset. 3 - Procédé selon les revendications 1 et 2 prises ensemble, caractérisé en ce que, en cas de disposition sur la surface du bain de champs de rayonnement F1, F2, ... de différentes grandeurs, les champs sont disposés symétriquement par rapport au milieu du bain (selon le schéma F1, F2 .... - ... F2, F1). 4 - Procédé belon les revendications 1, 2 et 3 prises ensemble, caractérisé en ce q'Lt les champs de rayonnement les plus grands F1 sont disposés à l'extérieur, le rapport des aires de surface F1:F2 étant compris entre 1,2:1 et 5:1, et en ce que la durée d'impact la plus longue T1 du rayon électronique est attribuée aux champs extérieurs, le rapport des durées d'impact T1:T2 étant compris entre 1,2:1 et 3:1. 5 - Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le rapport des aires de surface F1:F2 = 2:1 et le rapport des durées d'impact T1:T2 = 2:1. 6 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les champs de rayonnement sont disposés chevauchants sur la surface du bain. 7 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'interligne dans au moins un champ est changé par la variation de l'une des dimensions du champ, avec adaptation de l'interlignage par unité de longueur au besoin d'énergie local. 8 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par son application au revêtement par métallisation au vide d'ailettes de turbine avec des couches d'alliage résistant à la corrosion et l'oxydation. 9 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé par son application au revêtement par métallisation au vide d'ailettes de turbine à gaz avec des alliages du groupe CoCrAlY et NiCoCrAlY