Brevet FR2523480A1 — publié le 19830923

PROCEDE DE DEPOT D'UNE COUCHE DE PROTECTION METALLIQUE ET/OU CERAMIQUE SUR UN SUBSTRAT La présente invention concerne un procédé de dépôt d'une couche de protection métallique et/ou céramique sur un substrat, par projection thermique de matériaux pulvérulents. Pour former des couches de protection dures d'une épaisseur relativement importante en matériaux métalliques ou céramiques on dépose généralement, par projection ther- mique, plusieurs couches élémentaires superposées L'épais- seur maximale que l'on peut atteindre par un tel procédé à plusieurs couches est toutefois fortement limitéeet se situe pratiquement entre 0,3 et 0,5 mm Ceci est dû en particu- lier aux fortes tensions internes qui apparaissent dans une telle couche de protection et qui ne peuvent être réduites que partiellement par un choix approprié des paramètres de projection et en acceptant une porosité accrue de la couche Par ailleurs, en particulier lorsqu'il s'agit de matériaux céramiques déposés en plusieurs couches superposées, il se produitune accumulation de chaleur au niveau de chaque couche élémentaire déposée, ce qui conduit à une différence de température élevée entre le substrat et la couche, différence de température qui augmente avec chaque couche élémentaire et peut atteindre 1500 C Ceci se traduit généralement par la for- mation de fissures et le décollage des différentes couches élémentaires. L'invention se propose de fournir un procédé permettant l'application de couches de relativement forte épaisseur, c'est-à-dire dans la pratique jusqu'à 3 mm, à partir de matériaux à point de fusion élevé ou de matériaux céramiques, tout en permettant 2. de réaliser des couches de forte densité, c'est-à-dire de très faible porosité. A cet effet, le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que l'on dépose successivement des par- ties de couche en forme de bandes juxtaposées, adjacentes, ayant chacune une hauteur correspondant sensiblement à l'épaisseur de la couche à former, le substrat étant maintenu pendant le processus de dépôt à une température inférieure à 300 'C et la différence de température entre lq substrat et un endroit d'une partie de couche déposée, mesurée au plus tard avant le dépôt d'une partie de couche adjacente, au voisinage dudit endroit, étant maintenue en-dessous de 100 'C De préférence, un refroidissement local est effectué au niveau de chaque partie de couche déposée de façon que la température du substrat ne dépasse pas 2000 C ou même 1000 C et que ladite différence de température entre le substrat et un endroit d'une partie de couche déposée ne dépasse pas 50 ou 60 C Le refroidis- sement est de préférence effectué au moyen d'un dispositif comportant des buses de sortie de fluide de refroidissement ponctuelles, annulaires, linéaires ou en forme d'éventail, ou encore réparties sur une surface, les fluides de refroidissement étant de préférence choisis parmi l'eau, le dioxyde de carbone liquide, l'azote, l'air comprimé et pouvant être appliqués de façon combinée. L'invention sera mieux comprise à la lumière des exemples donnés ci-après etdeladescription illustrée par le dessin annexé, dans lequel Les figures 1 et 2 représentent schématiquement la structure d'une couche de protection réalisée par le procédé selon l'invention. Les parties de couche en forme de bandes 1, 2, 3, 4 etc représentées à la figure 1,sont déposées de 34 façon adjacente, côte à côte, sur un substrat 5 Chaque 3. partie de couche ainsi déposée présente sensiblement la hauteur H totale de la couche à former Ceci est obtenu par un choix approprié des paramètres de projection et du mouvement relatif entre l'appareil de projection et le substrat Pour la formation d'une couche de 0,1 à 3 mm d'épaisseur sur une pièce cylindrique, on choisit par exemple une vitesse circonférentielle constante de la pièce de l'ordre de 5 à 60 m/min et une vitesse de trans- lation dans le sens axial entre 10 4 et 1 m/-min Dans le cas du dépôt'd'une telle couche sur une surface plane,on choisit un mouvement relatif entre la pièce et l'appareil de projection s'effectuant de manière discontinue,par pas dont la longueur se situe entre 0,1 et 20 mmet un mouve- ment relatif dans le sens perpendiculaire au précédent avec une vitesse analogue à celle utilisée dans le sens axial de la pièce cylindrique susmentionnée La quantité de poudre fournie au dispositif de projection est com- prise entre 0,2 et 3 kg/h Pour une épaisseur de couche de 0,25 à 2,5 mm les valeurs correspondantes sont, dans l'ordre des valeurs données cidessus, 20 à 40 m/min, 10 à 0,5 m/min et 0,5 à 15 mm, la quantité de poudre projetée allant de 0,5 à 2 kg/h. En particulier, dans le cas de couches dépassant 0,5 mm d'êpaisseur,on refroidit localement la partie de couche appliquée de manière à maintenir la différence de température entre la pièce de base et la couche à une valeur inférieure à 60 et de préférence 500 C. Comme le montre la figure 1, les différentes parties de couche appliquées ne se recouvrent que par- tiellement, ce qui permet d'éviter une accumulation de chaleur dans les parties de couche déposées successive- ment D'autre part, les tensions internes apparaissant dans la couche ne sont plus orientées parallèlement à 34 la surface de la pièce de base mais sont inclinées par 4. rapport à cette surface de sorte que le danger d'un décol- lage de la couche est pratiquement supprimé. La figure 2 montre l'exemple d'une couche d'une -épaisseur plus faible h, dans laquelle les différentes parties de couche sont relativement plus larges mais ne se recouvrent que partiellement de façon similaire au cas illustré à la figure 1. Les exemples suivants décrivent la réalisation de couches de protection ayant une épaisseur et une qualité, notamment en ce qui concerne l'absence de fissures et de pores, qui jusqu'à présent étaient considéréescomme impos- siblesà atteindre avec les matériaux concernés. Exemple 1 Sur un arbre en acier ST 37 d'un diamètre de 40 mm on applique une couche de protection de 1,5 mm d'épaisseur en utilisant une poudre comportant, en poids, 87 % Al 203 et 13 % Ti O 2 Une torche de projection à la flamme du type "Castodyn 2000 " (marque de fabrique de la société Castolin S A) a été placée à une distance de 90 mm de la surface del'arbre pour effectuer la projection La quantité de poudre fournie a été réglée à 1,0 kg/h et un support rotatif de l'arbrea été entraîné comme suit: vitesse circonférentielle de l'arbre 30 m/min, avancement dans le sens axial 0,025 m/min. Un dispositif de refroidissement a été disposé autour de l'arbre à l'endroit de la projection, ce dispositif comportant un arrangement annulaire de buses individuelles ayant chacune une ouverture de 1 mm de diamètre et étant alimentées en dioxyde de carbone liquide. La distance entre l'axe de la flamme et le plan médian des buses annulaires était de 20 mm de sorte que la zone refroidie était une zone annulaire de 2 mm de largeur. L'alimentation en liquide de refroidissement a été réglée à 34 environ 4 litres/min ( 1/min) et ajustée de façon que la 5. température de l'arbre était inférieure à 1 O Oc C et la différence de température entre une partie de couche déposée et la surface de l'arbre, mesurée immédiatement après une coupure du dispositif de projection et de refroidissement avant le passage suivant, de l'endroit considéré,par la position de projection était inférieur à 200 C. Exemple 2 Une douille de glissement en acier ST 37 ayant un diamètre extérieur de 100 mm et un diamètre intérieur de mm a été munie à l'extérieur d'une couche de molybdène de 1 mm d'épaisseur La torche utilisée était du même type que dans l'exemple 1 et l'alimentation en poudre a étéréglée à 1,2 kg/h La distance entre la buse de la torche et la surface de la douille était de 100 mm et l'entraînement du dispositif de support rotatif, similaire à celui de l'exemple l,a été choisi comme suit: vitesse circonféren- tielle 30 5 m/min, avance dans le sens axial 0,05 m/min. Pour réaliser le refroidissement,un premier dispositif à buses réparties sur une surface de 20 mm x mm a été monté dans une position diamétralement opposée à l'axe de la flamme de la torche à 12 cm de distance de la surface de la douille et a été alimenté en dioxyde de carbone liquide à raison de 3,5 1/min Un deuxième dispo- sitif à buses réparties sur une surface de 5 mm x 10 mm a été disposé à une distance de 30 mm du premier dispositif, cette distance étant mesurée dans le'sens de rotation de la douille sur la surface de celle-ci, et a été alimenté en azote avec un débit de 7 1/min De cette manière, la température de la pièce a atteint au maximum 1500 C et la différence de température entre la pièce et la couche de protection, mesurée comme dans l'exemple 1, étant infé- rieure à 50 WC. 34 Après polissage,l'épaisseur finale de la couche 6. était de 0,9 mm et sa surface ne présentait aucun pore, aucune fissure visibles La durée de vie était de 50 % plus longue que celle de douilles pourvues de plusieurs couches de protection superposées de la même épaisseur totale. Exemple 3 La surface portante d'un arbre en fonte grise de mm de diamètre a été recouverte d'une couche de bronze ( 10 % Al, 90 % Cu) de 2 mm d'épaisseur sur une longueur de 100 mm L'appareillage utilisé comportait une torche de projection "Rototec 80 " (marque de fabrique de la société Castolin S A) dont l'alimentation en poudre a été réglée à 1,5 kg/h et la distance entre la buse de projection et la surface de l'arbre était de 15 mm Un dispositif de support rotatif a été utilisé comme dans les exemples 1 et 2 de façon à impartir à l'arbre une vitesse circonférentielle de 45 m/min et une avance dans le sens axial de 0,02 m/min. Une série de buses de refroidissement de 2 mm de diamètre chacune ont été disposées à 15 mm de distance de la surface de l'arbre le long d'un demicercle, en forme d'éventail, ces buses étant alimentées en l'air comprimé avec une pression de 6 atmosphères La tempéra- ture de la surface de l'arbre a été ainsi maintenue à une valeur inférieure à 250 'C, la différence de tempéra- ture maximale entre la couche et le substrat,mesurée comme dans les exemples 1 et 2,ayant été de 30 'C. Par rapport au procédé de revêtement habituelle coût de la réalisation de la présente surface de roulement était nettement inférieur et la durée de vie de la pièce s'était sensiblement accrue. Exemple 4 Des plongeurs de pompe à piston destinés à être 34 utilisés en milieux fortement corrosifs ont été munis, 7. en fabrication en série, sur leur surface d'étanchéité, d'une couche de protection composée de 97 % Al 203 + 3 % Ti O 2. Les plongeurs étaient réalisés en un alliage nickel-chrome de la composition suivante: 20 % Cr, 4 % Fe, 0,5 % Si, reste Ni, leur longueur était de 850 mm et leur diamètre de 40 mm La surface d'étanchéité s'étendait sur une longueur de 500 mm et a été revêtue d'une couche de protection de 0,8 mm Le dépôt par pro- jection et le polissage de la couche étaient réalisés en une seule phase de travail A cet effet, une torche de projection du type de celle de l'exemple 1, a été montée sur le dispositif d'avancement d'un dispositif de support rotatif et un dispositif de polissage était disposé à une distance de 20 mm de l'axe de la flamme La vitesse circonférentielle du plongeur était de 60 m/min, l'avan- cement était de 0,2 m/min et le dispositif de polissage était entraîné à 1200 tours/min L'alimentation en poudre de la torche de projection était de 0,7 kg/h et la dis- tance de projection était de 80 mm. Une buse de refroidissement alimentée en dioxyde de carbone liquide à raison de 6 1/min était disposée de façon diamétralement opposée à l'axe de la flamme et avait une ouverture de 0,5 mm x 5 mm D'autre part, un arran- gement annulaire de busesde 1 mm de diamètre a été disposé à 100 mm de distance de l'axe de la flamme entre celle-ci et le dispositif de polissage,autour de la pièce à traiter Ce dernier dispositif de refroidissement était alimenté en eau à raison de 4 1/min et a permis de ramener la température de la couche déposée de 100 'C avant le refroidissement à eau,à 500 C. Les plongeurs ainsi réalisés présentaient une 33 très bonne durée de vie alors que la durée de fabrication 8. de la couche de protection était réduite de moitié par 2 rapport au procédé habituel. 9. REVENDICATIONS 1 Procédé de dépôt d'une couche de protection métallique et/ou céramique sur un substrat,par projection thermique de matériaux pulvérulents, caractérisé en ce que l'on dépose successivement des parties de couche en forme de bandes juxtaposées, adjacentes, ayant chacune une hauteur correspondant sensiblement à l'épaisseur de la couche à former, le substrat étant maintenu pendant le processus de dépôt à une température inférieure à 300 'C et la différence de température entre le substrat et un endroit d'une partie de couche déposée, mesurée au plus tard avant le dépôt d'une partie de couche adjacente, au voisinage dudit endroit, étant maintenue en-dessous de 1000 C. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque partie de couche déposée est refroidie localement. 3 Procédé selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on pratique un refroidissement tel que la température du substrat ne dépasse pas 200 'C et ladite différence de température entre le substrat et un endroit d'une partie de couche déposée ne dépasse pas 600 C. 4 Procédé selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on pratique un refroidissement tel que la température du substrat ne dépasse pas 1000 C et ladite différence de température entre le substrat et un endroit d'une partie de couche déposée ne dépasse pas 500 C. Procédé selon les revendications 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que le refroidissement est effectué au moyen d'au moins un dispositif comportant des buses de 32 sortie de fluide de refroidissement orientées en éventail. 10. 6 Procédé selon les revendications 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que le refroidissement est effectué au moyen d'au moins un dispositif comportant des buses de sortie de fluide de refroidissement disposées de façon annulaire ou linéaire. 7 Procédé selon les revendications 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que le refroidissement est effectué au moyen d'au moins un dispositif comportant des buses de sortie de fluide de refroidissement réparties sur une surface. 8 Procédé selon l'une des revendications 5, 6 ou 7, caractérisé en ce que le fluide de refroidissement utilisé est choisi parmi le dioxyde de carbone liquide, l'eau, l'azote et l'air comprimé. 9 Procédé selon les revendications 5, 6 ou 7, caractérisé en ce que l'on utilise une combinaison de dispositifs de refroidissement utilisant différents fluides de refroidissement choisis parmi l'eau, le 19 dioxyde de carbone liquide, l'azote et l'air comprimé.