Brevet FR2500486A1 — publié le 19820827

La présente invention concerne le dépôt de vapeurs et, plus particulièrement, un procédé et un appareil pour effectuer le dépôt des vapeurs d'une substance, générale- ment un métal, sur un subjectile. Plus spécifiquement, el- le concerne un procédé et un appareil pour l'application de revêtements anticorrosifs, protecteurs, décoratifs ou semi-conducteurs sur un subjectile ou la formation de com- posés sur ce dernier avec la substance qui y est déposée, par exemple dans la formation de carbures et de siliciures. Lorsqu'on dépose des substances d'une phase vapeur sur un subjectile, opération qui s'effectue généralement sous vide, on vaporise habituellement avec une grande é- nergie la substance à déposer sur le dit subjectile et 1' on provoque sa migration vers celui-ci, o a lieu le dé- pôt. Les techniques déjà utilisées pour produire de la vapeur en chauffant une masse de la substance à déposer ne donnent pas toujours des dépôts uniformes satisfaisants sur de grandes surfaces. L'invention a donc principalement pour objet de fournir pour le dépôt d'une substance sur un subjectile un procédé et un appareil perfectionnés qui ne présentent pas les inconvénients des techniques connues. Elle a aussi pour objet un procédé pour déposer à partir d'une phase vapeur des substances de différentes compositions, comprenant pratiquement tous les métaux et alliages existants, sur pratiquement n'importe quel sub- jectile et ce, d'une manière très uniforme, à un faible coût et avec une grande efficacité. Un autre objet encore de l'invention est de fournir un procédé et un appareil permettant l'application très rapide de revêtements à de grandes surfaces. L'invention a également pour objet de fournir un procédé perfectionné pour former des siliciures, carbures et autres composés sur un subjectile. A cet effet, le procédé selon l'invention pour dé- poser des vapeurs d'une substance sur un subjectile con- siste à amorcer un arc électrique entre une flaque de la substance fondue à vaporiser, en vaporisant ainsi directe- ment la substance à la surface de la flaque, puis à per- mettre le transfert de la substance vaporisée, à l'état de vapeur, au subjectile, par exemple dans une chambre à vi- de. Selon une autre caractéristique de l'invention, la flaque de métal fondu peut être formée aussi par l'arc é- lectrique, par exemple en amorçant cet arc entre une élec- trode et une masse de la substance à déposer. Avantageuse- ment, la masse de substance à vaporiser a une section su- périeure à celle de l'électrode d'amorçage de l'arc, de sorte qu'une flaque se forme avec la substance fondue dans une cavité formée dans la masse par cette fusion. On a constaté qu'il est avantageux d'amener l'élec- trode en contact avec la flaque de métal fondu et de l'en écarter, afin qu'une certaine quantité du métal fondu se dépose sur l'électrode et que le chauffage de la pointe de cette dernière vaporise au moins en partie la substance qui doit être déposée sur le subjectile. Il peut être prévu comme variante ou en supplément un creuset ou autre récipient pour le bain ou flaque de substance en fusion et l'on peut amorcer l'arc à la surfa- ce de ce bain ou de cette flaque ou laisser la substance fondue tomber goutte à goutte, par exemple à travers des orifices ménagés dans le creuset, vers un arc amorcé au- dessous, o s'effectue la vaporisation. Selon une autre caractéristique encore de l'inven- tion, le creuset ou autre récipient pour la substance en fusion peut comporter une sphère munie d'une électrode qui s'étend le long de son diamètre, de préférence verti- calement, la dite sphère ouvrant latéralement, par exemple à travers un sas à vide, dans une chambre qui s'élargit vers l'extérieur et se termine au subjectile. On peut utiliser le procédé et le dispositif selon l'invention pour produire des revêtements de silice, de siliciure ou de carbure sur le subjectile, pour produire des siliciures par la réaction du silicium avec la matière dont est fait le subjectile lors du dépôt de la vapeur de Si sur ce dernier, ou pour recouvrir des subjectiles d'une couche de n'importe quel métal ou alliage désiré et former ainsi des revêtements protecteurs ou servant à d'autres u- sages. Le procédé selon l'invention peut être utilisé dans l'industrie métallurgique, chimique, électrique, électroni- que, vacuoélectrique, optique, des fusées et de l'aéronau- tique, ainsi que dans l'industrie nucléaire, et il s'est révélé spécialement efficace pour la production de revête- ments à poli spéculaire, de réflecteurs, de revêtements anti-corrosifs et de films pour des produits de configura- tion plate ou compliquée, pour produire des revêtements à couches multiples dans des films, par exemple pour des composants semiconducteurs et des composants à résistance électrique élevée, et, plus simplement, chaque fois qu'une modification de la surface d'un subjectile est nécessaire et peut être effectuée par transfert à partir de la phase vapeur d'une substance qui peut exister à l'état fondu. De toute façon, l'invention sera bien comprise à 1' aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé, représentant, à titre d'exemples non limitatifs, plusieurs formes d'exécution du dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Fig. 1 est une vue en élévation fortement schémati- sée d'une première forme d'exécution d'un appareil pour effectuer un dépôt de vapeur; Fig. 2 est une vue similaire à fig. 1, montrant une deuxième forme d'exécution, dans lequel la substance dé- posée à l'état de vapeur est recueillie sur une électrode verticale apte à être animée d'un mouvement alternatif rectiligne; Fig. 3 est une vue en coupe verticale, également très schématisée, montrant un appareil pour déposer la substance sur un subjectile placé au-dessous de la flaque de substance fondue; Fig. 4 est une vue similaire à fig. 3, montrant une autre variante de réalisation du dispositif selon l'inven- tion; Fig. 5 est une vue en coupe axiale d'un autre appa- reil pour déposer une substance sur un subjectile par le procédé selon l'invention; Fig. 6 est une vue en coupe axialed'un appareil portable extrêmement compact pour la mise en oeuvre du pro- cédé selon l'invention. Dans le dispositif représenté à la figure 1, on uti- lise selon l'invention un procédé à l'arc simple pour ob- tenir des revêtements protecteurs à fini spéculaire sur des subjectiles ou pour transformer en vapeur divers mé- taux ou alliages métalliques, y compris les métaux résis- tants à la chaleur et les métaux réfractaires, pour appli- quer des revêtements de ces substances à un subjectile. Comme le montre la figure 19 l'appareil de base peut comporter une chambre à vide non représentée, qui peut être similaire à celle qui est visible à la figure 6 et dans laquelle une électrode métallique 1 peut être avancée par un alimentateur 7 vers une masse 2 de métal, pour for- mer à la surface de cette dernière une flaque 3 de métal en fusion avec laquelle l'arc 4 est amorcé. La masse 2 est immobilisée dans un montage ou sup- port 5 et une source de courant continu 9 applique la ten- sion d'amorçage de l'arc entre l'électrode 1 et la masse 2 par l'intermédiaire d'un circuit classique de stabilisa- tion de l'arc, désigné par la référence 8. Il s'est révélé avantageux de munir l'électrode 1, dont la section est relativement petite, d'un régulateur thermique 6, pour éviter une surchauffe de cette électro- de. Comme la section de la masse 2 de métal est beau- coup plus grande que celle de l'électrode 1, la flaque 3 est contenue dans un évidement concave formé in situ dans la masse. Exemple L'appareil représenté à la figure 1, en utilisant des électrodes 1 et 2 de titane, d'aluminium, de tungstène, de tantale ou de cuivre, amorce un arc à une température de 5000 à 7000'C pour produire de la vapeur du métal de la flaque 3, vapeur qui franchit une distance de 10 à 15cm jusqu'au subjectile 10 et forme sur ce dernier un revête- ment de ce métal. La flaque 3 peut être formée par un mé- lange métallique résultant de l'apport des deux électrodes 1 et 2, de sorte qu'il se dépose sur le subjectile un al- liage des métaux dont sont faites ces dernières. L'élec- trode 1 est faite de préférence de titane, tandis que la masse 2, qui forme l'autre électrode, est faite principale- ment d'aluminium, de tungstène, de tantale ou de cuivre. L'appareil représenté à la figure 1 peut être utili- sé sans modification importante dans un procédé sans creu- set de formation de revêtements protecteurs de carbures, pour produire des revêtements de siliciures sur le subjec- tile ou pour former sur ce dernier des couches de carbures ou de siliciures et même des couches de carbure de sili- cium. Dans ce cas, on utilise l'appareil représenté à la figure 1, comme précédemment dans la chambre à vide cou- rante, mais l'électrode 1 peut être faite de silicium ou de carbone, tandis que l'électrode 2 est faite du métal dont il s'agit de former le siliciure ou le carbure ou, dans le cas d'un dépôt de silicium sur le subjectile, elle peut aussi être formée de ce dernier métal. Par exemple, lorsqu'on désire obtenir un dépôt de carbure de silicium sur le subjectile 10, l'électrode 1 peut être en silicium, tandis que l'électrode 2 est un bloc de carbone dans lequel est logée une flaque 3 de si- licium et de carbone solubilisé. Les vapeurs sont transférées au subjectile et se déposent sur celui-ci sous la forme d'une couche de carbu- re de silicium. Le subjectile peut être en titane et le dépôt formé sur lui peut être un mélange de siliciure de titane et de carbure de titane. Comme variante, lorsque l'électrode 1 est en sili- cium ou en carbone, tandis que la masse 2 est en titane, on peut déposer sur un subjectile de composition différen- te du carbure ou du siliciure de titane. Lorsqu'une atmosphère légèrement oxydante est pré- vue dans la chambre o l'on a fait le vide, il se forme des dépôts de silice (SiO2) sur le subjectile. Il est manifeste que l'appareil représenté à la figure 1 est particulièrement efficace dans la production de semi-conducteurs. Le thermorégulateur 6 peut être prévu en double exemplaire le long de l'électrode 1 et des thermorégula- teurs supplémentaires peuvent être prévus pour la masse 2 pour en empêcher la surchauffe. Lorsque de l'électrode 1 et de la masse 2, l'une quelconque est en silicium tandis que l'autre est en car- bone, du carbure de silicium est produit par la réaction et se dépose avec une pureté supérieure à celle des subs- tances de départ. Lorsque les deux électrodes 1 et 2 sont en silicium, on peut obtenir des dépÈts de silice et de silicium d'une forte densité, comme cela est particulièrement désirable pour le revêtement de semi-conducteurs. L'appareil représenté à la figure 2 est, dans l'en- semble, similaire à celui qui vient d'être décrit en réfé- rence à la figure 1, mais il fonctionne suivant des prin- cipes quelque peu différents, la formation de vapeur ayant lieu, au moins en partie, à partir de l'électrode supérieu- re mouillée 101. Dans cette figure, les éléments correspondant à ceux de la figure 1 sont désignés par les mêmes références, mais augmentées de 100. A la figure 2, l'alimentateur 107 est accouplé à un moteur à mouvement alternatif vertical 112, qui communique à l'électrode 101 un mouvement de va-et-vient rectiligne dans la direction de la double flèche 114, de façon à plonger périodiquement l'extrémité de cette électrode 101 dans la flaque 103 de métal fondu formée dans la masse 102 qui constitue l'autre électrode. Lorsque l'électrode 101 remonte et que son extrémi- té émerge de la flaque 103 pour réamorcer l'arc 104, 1' enrobage de métal fondu 113 de la dite extrémité se trans- forme en vapeur et il se forme un dépôt sur les subjecti- les 110. La masse 102 est représentée montée dans un porte- électrode 105 et l'alimentation en courant électrique pour l'arc est assurée par une source de courant continu 109 et un stabilisateur 108 de la manière déjà décrite, l'électro- de 101 étant munie d'un thermorégulateur 106. Cet agencement s'est révélé particulièrement effica- ce dans une modification de l'exemple ci-dessus o l'élec- trode 101 est en titane, tandis que la flaque 103 est fai- te d'aluminium. La figure 3 montre une forme d'exécution de l'in- vention dans laquelle la vapeur se dépose sur un subjecti- le 210 situé au-dessous d'un creuset 217 en forme d'anneau ouvrant vers le haut et contenant le métal fondu 203, creu- set qui est monté dans un support ou bâti 205. L'électrode suppérieure 201 présente ici la forme d'un segment de sphère qui joue le rôle d'un réflecteur, de sorte que lorsqu'un arc 204 est amorcé entre l'électro- de 201 et le métal fondu dans le creuset 217, les vapeurs s'élèvent, comme le montrent les flèches 219, puis sont réfléchies vers le bas et dirigées sur le subjectile 210, comme l'indiquent les flèches 218. La source de courant continu 209 a ses bornes re- liées respectivement à l'électrode 201 et au creuset 217 3o par l'intermédiaire du stabilisateur d'arc 208 et l'élec- trode supérieure 201, montée sur une tige 216, est posi- tionnée dans le sens vertical par l'alimentateur 207 et dans le sens horizontal par un mécanisme auxiliaire 215, qui règle sa position audessus du métal qui se transforme en vapeur. Dans cette forme d'exécution, l'électrode 201 peut être faite de titane, de molybdène ou de tungstène, tandis 8- que le métal fondu peut être de l'aluminium ou du cuivre et que le creuset 217 est en graphite. La figure 4 montre une autre forme d'exécution de l'invention, dans laquelle les vapeurs s'écoulent vers le bas pour se déposer sur le subjectile 310. Dans cet agencement, le creuset 317, qui ouvre vers le haut et contient le métal fondu 303, peut recevoir un supplément de ce dernier d'une poche de coulée ou autres sources 322 ou être alimenté en métal solide, dont la fu- sion s'effectuera in situ. Le creuset 317 peut être chauf- fé par des moyens auxiliaires, tels qu'un appareil de chauffage par induction 323 et il est monté dans un sup- port 305. Le fond du creuset 317 présente des ouvertures 321, o apparaissent des gouttelettes de métal fondu, qui sont transformées en vapeur par l'arc 304 amorcé entre l'élec- trode 301 et le fond du creuset 317. La température dans la zone de l'arc peut être ré- gulée par un dispositif à induction auxiliaire 324 et 1' électrode 301 peut être refroidie comme le montre l'élément refroidisseur 306. L'électrode 301 est amenée vers le creuset 317 par le porte-électrode 307 et l'arc est maintenu par un stabi- lisateur d'arc 308 relié à la source de courant continu 3.29 Dans cette forme d'exécution, le métal fondu peut être du cuivre. Un subjectile à munir d'un revêtement peut être pré- vu à la place du dispositif auxiliaire 324 et au même en- droit que celui-ci, par exemple sous la forme d'une bague de titane qui peut recueillir la vapeur sous la forme d'un revêtement. Dans la forme d'exécution représentée à la figure 5, le métal fondu est transformé en vapeur alors qu'il est formé dans un espace clos, d'o les vapeurs sortent par des ouvertures 425 pour aller se déposer sur le subjectile Dans cette forme d'exécution, la flaque de liquide résulte de la fusion de l'électrode 402 montée dans le support 405 lorsque la contre-électrode 401 est enfoncée par l'alimentateur 407 dans un alésage central 426 de 1' électrode 402, o elle traverse un manchon isolant 427, qui lui sert de guide. Un régulateur de température 406 entoure coaxialement les deux électrodes près de la zone o se forme l'arc 404 pour empêcher une surchauffe dans la région qui se trouve en avant des ouvertures 425. Le dé- pot se forme sur le subjectile 410. Le courant est amené aux électrodes par l'intermé- diaire du stabilisateur d'arc 408 et il est fourni par une source de courant continu 409 de la manière déjà dé- crite. La figure 6 montre un dispositif à arc voltaïque portable pour déposer des revêtements réfléchissants, anticorrosifs, protecteurs et semi-conducteurs en métal, en siliciure ou en carbure, en utilisant les principes dé- crits plus haut. Cet appareil comporte une chambre à vide 500 munie à son extrémité supérieure d'une poignée 530, grâce à la- quelle l'ensemble peut être transporté facilement. A l'intérieur de cette chambre est prévue une sphè- re creuse 517, dont la partie inférieure forme un creuset pour le métal fondu 503 et qui est garni intérieurement par un matériau résistant aux très hautes températures (réfractaire), comme l'oxyde d'aluminium. La partie supérieure de cette sphère est revêtue en 531 d'une couche réfléchissante qui concentre la chaleur rayonnée par le bain et la renvoie sur celui-ci. L'arc 504 est amorcé entre une électrode 501 et le bain 503, l'électrode étant rapprochée de ce dernier par l'alimentateur 507 au fur et à mesure qu'elle se consomme. Du métal supplémentaire, par exemple à l'état soli- de, est ajouté au bain sous la forme d'une tige 532 reliée à un alimentateur 533, de façon à compenser les pertes de métal fondu qui résultent de sa transformation en vapeur. L'électrode 501 et le bain 503 sont reliés aux bor- nes opposées d'un stabilisateur d'arc et d'une source de courant continu de la manière décrite plus haut. Une électrode tubulaire 502 entoure la tige 532. La partie inférieure de la chambre 500 est munie d' une pompe à air désignée par la référence 533, qui sert à faire le vide dans la chambre contenant la sphère creuse 517, par l'intermédiaire d'un tuyau flexible pour vide 534, d'une valve 535 et d'un adaptateur 536, dont la forme diverge vers l'extérieur et qui peut être raccordé à une ouverture latérble 525 de la sphère creuse 517. L'adaptateur,536 peut être muni d'un serpentin de réchauffage 537 pour empêcher une condensation indésirable de la vapeur sur sa paroi. Entre l'ouverture 525 et l'adaptateur 536 il est prévu un sas à vide 538 et un dispositif de montage 539 pour la fixation d'une variété d'adaptateurs de formes et de dimensions différentes. L'adaptateur 536 est muni également d'un joint d' étanchéité pour vide 540, par l'intermédiaire duquel il peut être appliqué contre le subjectile 510 sur lequel doit être déposé le revêtement. L'ensemble portable représenté à la figure 6 est transporté jusqu'à l'endroit o se trouve le subjectile 510 qui doit être muni d'un revêtement, puis on monte sur le dispositif 539 l'adaptateur approprié et l'on applique le joint 540 de ce dernier contre le subjectile 510. On envoie le courant électrique pour l'arc et on fait le vide à l'aide de la pompe 533, ce qui a pour effet de faire fondre le métal et de former le bain 503 à l'intérieur de la sphère creuse. On ouvre le sas 538 et les vapeurs de métal peuvent s'échapper en direction du subjectile 51 en partie au moins sous l'effet de la pression différen- tielle maintenue à l'aide de la valve 535 entre l'inté- rieur de la sphère 517 et l'adaptateur 536. On peut munir ainsi d'un revêtement pratiquement n' importe quel produit, en n'importe quel endroit, et l'uti- lisation d'une variété d'adaptateurs de formes et dimen- sions différentes permet de recouvrir des corps de forme même compliquée sans avoir à les déplacer de la zone dans laquelle ils doivent être utilisés. Le dispositif peut être repliable de façon à pouvoir s'en servir pour appli- quer des revêtements à l'intérieur de conduits et autres éléments similaires. L'appareil représenté à la figure 6, sans l'adap- tateur 536, peut être utilisé comme propulseur pour des individus ou du matériel dans l'espace. Lorsque l'arc est amorcé, il suffit d'ouvrir le sas 538 pour qu'un flux s'échappe à travers l'ouverture 525 et qu'il en résulte une propulsion dans le sens oppo- sé. Le vide dans l'espace fournit un vide naturel pour le dispositif et la pompe à air =.3 n'est plus nécessaire. On peut pratiquement utiliser n'importe lequel des produits perdus qu'on trouve dans les applications spatiales dans le * récipient 517 pour produire cette propulsion. 1.2 - REVENDICATIONS - 1.- Procédé de dépôt d'une substance sur un subjec- tile, caractérisé en ce qu'il consiste à former une flaque (3) de la substance à l'état fondu, à amorcer un arc au moins en partie entre la flaque et au moins une électrode (1) placée à une certaine distance de la flaque, en trans- formant ainsi en vapeur la substance de la flaque e à dis- poser un subjectile (10) à une certaine distance de l'arc (4) et sur le parcours de la vapeur de substance formée à partir de la flaque de façon que cette substance, à partir de son état de vapeur, se dépose sur le subjectile. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste en outre à plonger par intermittence l'électrode (101) dans la flaque (10) pour former sur I' électrode un enrobage (113) avec la-substance, puis à va- poriser cet enrobage au moyen de l'arc (104) pour obtenir de la substance à l'état de vapeur. 3.- Procédé selon la revendication 1 ou la reven- dication 2, caractérisé en ce que la flaque (3; 103) est formée par fusion d'une masse (2; 102) de la substance et est contenue dans une cavité formée dans cette masse. 4.- Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la cavité est formée en faisant fondre la masse (2; 102) de substance au moyen de l'arc (4; 104). 5.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on laisse sortir des gouttelettes de la substance fondue de la flaque (303) par une ouverture (321) ménagée dans le fond d'un récipient (317) contenant la dite flaque, l'arc (304) transformant en vapeur les dites gouttelettes. 6.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste en outre à faire le vide dans l'espa- ce entre l'électrode et la flaque et entre l'arc et le subjectile. 7.- Appareil pour la mise en oeuvre du procédé se- lon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens contenant une flaque avec la substance fondue à déposer sur le subjectile, une électrode juxtaposée à la flaque et espacée d'elle, une source de courant électrique reliée à l'électrode et à la flaque pour l'amorçage d'un arc entre elles et la transformation en vapeur de la sub- stance de la flaque, et des moyens pour positionner un subjectile à une certaine distance de l'arc pour que la vapeur de la substance se dépose sur ce subjectile. 8.- Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens pour contenir la flaque (3; 103) con- sistent en une cavité formée dans une masse (2; 102) de la substance par fusion d'une partie de cette masse. 9.- Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens pour contenir la flaque (203) consis- tent en un creuset annulaire ouvrant vers le haut (217) et en ce que l'électrode (201) est un segment de sphère dispo- sé au-dessus de ce creuset et amorçant un arc mobile avec la flaque. 10.- Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens pour contenir la flaque (303) consis- tent en un creuset (317) muni en son fond d'ouvertures (321) par lesquelles sortent des gouttelettes de la flaque, l'électrode (301) étant disposée au-dessous du fond du creuset et amorçant avec ce fond un arc qui transforme en vapeur les dites gouttelettes. 11.- Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'électrode (501) et les moyens pour contenir la flaque (503) sont disposés dans une enceinte portable (500) dans laquelle on peut faire le vide, qui est munie d'un sas à vide et de moyens pour faire le vide à l'intérieur d'elle, un adaptateur (536) pouvant être relié au sas à vide (538) pour permettre un contact étanche avec le sub- jectile (510) à recouvrir, de façon que la vapeur sortant de l'enceinte traverse l'adaptateur et forme un dépôt sur le subjectile.