Brevet FR2533103A1 — publié le 19840316

Procédé et dispositif pour le réchauffement uniforme d'un matériau dans un récipient sous vide. La présente invention concerne un procédé pour le réchauffement d'un matériau à chauffer dans un récipient sous vide De tels procédés sont utilisés par exemple pour le dégazage, le brasage, le frittage, la trempe et en liai- son avec des procédés de traitement ionique ou de dépôt de couches Ce faisant, on doit obtenir un réchauffement aus- si uniforme que possible du matériau à chauffer Dans des fours de traitement thermique sous vide connus, le matériau à chauffer est par exemple entouré de surfaces chauffantes dont la chaleur est transférée au matériau par rayonnement ou conduction Un matériau à chauffer bon conducteur du point de vue électrique peut également être chauffé par des courants induits, et on connait en outre l'utilisation d'un effluve électrique comme source de chaleur qui, dans le cas d'un effluve dit anomal, recouvre toute la surface cathodique de sorte que le matériau à chauffer monté en cathode peut être réchauffé uniformément. Il est en outre connu de réchauffer un matériau, par exemple des métaux devant être fondus, sous vide par bombardement électronique Ce faisant, grâce à un agence- ment géométrique particulier de la source d'électrons, on doit faire en sorte qu'il apparaisse la répartition de température souhaitée sur le matériau à chauffer Jusqu'i- ci ceci n'était possible qu'avec une dépense importante en moyens techniques d'obtenir un réchauffement uniforme Nor- malement cependant le bombardement électronique est utilisé juste dans le sens opposé, à savoir pour produire des en- droits chauds étroitement limités de façon locale avec des différences de températures importantes par rapport à l'en- vironnement, des faisceaux électroniques convenant particu- lièrement à cet effet en raison de leur grande facilité de focalisation. Le chauffage au moyen d'un arc à basse tension constitue une forme particulière de chauffage par bombar- dement électronique; dans le cadre de cette description par arc à basse tension on entend une décharge gazeuse qui s'étend entre une cathode chaude émettant des élec- trons par émission thermoionique d'une part et une anode d'autre part (à ce sujet il n'est pas important que la cathode ne soit maintenue à la température d'émission que par la décharge gazeuse ou soit chauffée en supplément). La plupart du temps on introduit au voisinage de la catho- de un gaz rare, par exemple dans l'espace creux d'une ca- thode creuse ou dans une chambre particulière de la catho- de thermoionique qui est reliée au récipient sous vide par l'intermédiaire d'une ouverture Il est courant de focali- ser le plasma, qui provient de la cathode creuse ou de la chambre de la cathode thermoionique et pénètre dans le ré- cipient par l'ouverture, au moyen d'un champ magnétique. Ce faisant, les électrons se déplacent suivant des trajec- toires hélicoïdales étroites dont les axes correspondent largement aux lignes du champ magnétique Des dispositifs de ce type sont connus par exemple d'après les brevets US 3 210 454 et 4 197 175 Les deux décrivent le réchauffe- ment d'un matériau à faire fondre qui est monté en anode, au moyen d'un arc à basse tension focalisé magnétiquement qui est dirigé (envoyé) sur le matériau à faire fondre. Ceci est obtenu grâce au fait que les lignes de champ ma- gnétique et par conséquent également les trajectoires hélicoïdales des électrons passent par l'ouverture men- tionnée et par le matériau à faire fondre L'arc à basse tension est donc utilisé ici pour produire des endroits chauds délimités localement avec des différences importan- tes de température par rapport à l'environnement L'utili- sation de fours à faisceau électronique ou de fours à arc électrique pour le traitement thermique d'un matériau à chauffer, dont la surface doit être réchauffée uniformé- ment, apparait difficile, comme on l'a dit, car on pour- rait à peine obtenir une répartition suffisamment uniforme de la densité de courant sur le matériau à chauffer. Ceci étant, la présente invention se propose de fournir un procédé pour le réchauffement uniforme sous vide d'un matériau, dans lequel seuls les objets devant être chauffés et éventuellement encore leur fixation sont réchauffés, aucun corps de chauffage par rayonnement ni aucune bobine de chauffage par induction n'ayant besoin d'être logé dans le récipient Le procédé suivant l'inven- tion pour le réchauffement uniforme d'un matériau à chauf- fer dans un récipient sous vide par bombardement du maté- riau à chauffer par des électrons à partir d'une décharge suivant un arc à basse tension focalisé magnétiquement et maintenu entre une anode disposée dans le récipient et une cathode chaude se trouvant dans une chambre de cathode en communication avec le récipient par l'intermédiaire d'une ouverture, est caractérisé par le fait que pendant le chauf- fage il est maintenu un champ magnétique tel que celles des lignes de champ magnétique qui traversent l'ouverture entre la chambre de cathode et le récipient ne traversent pas le matériau à chauffer. Les lignes de champ magnétique concernées passent donc devant le matériau à chauffer Le fait que dans le cas du procédé suivant l'invention les électrons provenant du plasma focalisé par le champ magnétique doivent tout d'a- bord être déviés latéralement, avant qu'ils puissent attein- dre les surfaces à chauffer, a pour effet qu'en raison de leur grande mobilité suivant les lignes de champ magnétique mais de leur faible mobilité suivant une direction-perpendi- culaire à celles-ci, ils se répartissent sur le matériau à chauffer suivant une surface importante, grâce à quoi on obtient un réchauffement nettement plus uniforme qu'avec un faisceau de plasma focalisé magnétiquement qui est di- rigé sur le matériau à chauffer. L'invention offre également l'avantage que des objets encastrés, tels que des corps chauffants et des bo- bines d'induction, peuvent être économisés, ce qui gagne de la place pour des dispositifs qui sont absolument néces- saires éventuellement pour d'autres phases opératoires dans le même récipient,; les bobines magnétiques pour le guidage du plasma peuvent être disposées à l'extérieur du récipient. L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé Ce dispositif comporte une chambre de chauffage pouvant être mise sous vide, un dispo- sitif de fixation se trouvant dans celle-ci pour un maté- riau à chauffer et une chambre de cathode contenant une ca- thode chaude et communiquant avec la chambre de chauffage par l'intermédiaire d'une ouverture pour le passage du plas- ma produit par la décharge suivant un arc à basse tension, ainsi qu'un dispositif pour produire un champ magnétique dans la chambre de chauffage, et est caractérisé par le fait que des lignes de champ magnétiques passant par l'ou- verture ne traversent pas le matériau à chauffer maintenu dans le dispositif de fixation de la chambre de travail. On obtient un dispositif préféré pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention avec un récipient cy- lindrique lorsque ladite ouverture et la bobine magnétique sont disposées coaxialement par rapport au récipient Le matériau à chauffer peut alors être disposé autour du fais- ceau de plasma s'étendant axialement, le champ magnétique axial ayant pour effet que les électrons peuvent facilement se déplacer suivant la direction axiale,mais que suivant la direction radiale ils ne peuvent arriver en direction de l'anode et par conséquent du matériau à chauffer que par diffusion Cette anisotropie en ce qui concerne la mobilité de déplacement des électrons fournit une répar- tition uniforme de la densité de courant suivant la direc- tion axiale et par conséquent un effet de chauffage uni- forme sur le matériau à chauffer disposé autour de l'axe. Dans ce mode de réalisation préféré du disposi- tif, dans lequel le dispositif de fixation pour le maté- riau à chauffer entoure l'axe du faisceau de plasma dans la chambre de chauffage à la manière d'une gaine, et o il est prévu une bobine magnétique coaxiale pour-produire un champ magnétique focalisant le plasma, les lignes de champ magnétiques qu'elle produit se refermant toujours sur elles-mêmes, dans la mesure o elles traversent l'ou- verture réunissant la chambre de chauffage et la chambre de cathode, entourent le matériau à chauffer sans le couper. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante de plusieurs exemples de réalisation non limitatifs représentés aux dessins annexés sur les- quels la figure 1 représente, en tant que premier exemple, un agencement comportant un faisceau de plasma s'étendant suivant l'axe d'un récipient cylindrique, en correspondance avec le mode de réalisation préféré mention- né ci-dessus; et la figure 2 représente un autre agencement dans lequel le faisceau de plasma est perpendiculaire à l'axe du récipient. Sur la figure 1, la référence I désigne un ré- cipient sous vide en forme de cloche,dans lequel le maté- riau à chauffer 3 est supporté sur une fixation 2 La fixa- tion est fixée sur la plaque de fond 5 du récipient, au moyen d'un isolateur électrique 4, et est couplée électri- quement, par l'intermédiaire d'une traversée de courant 6 étanche au vide, au pôle positif d'un appareil d'alimen- *tation 7 Sur la partie supérieure du récipient est dis- posée une chambre 8 de cathode thermoionique qui est re- liée, par l'intermédiaire d'une ouverture 9, à l'espace intérieur du récipient 1 La cathode thermoionique 12 est logée dans cette chambre en étant supportée par une pla- que isolante 11, et, comme indiqué sur le dessin, cette cathode peut être chauffée par un fil chauffé par un pas- sage de courant; elle peut cependant également se présen- ter sous la forme d'une cathode creuse ou se chauffant el- le-même Une soupape de régulation 13 est prévue pour l'in- troduction de gaz dans la chambre de cathode thermoionique. Une bobine magnétique 14 produit un champ magnétique coa- xial par rapport au récipient 1 Si on suit la ligne de champ centrale en partant de l'ouverture 9, le champ magné- tique est plus fort et atteint son intensité maximale au niveau du plan central de la bobine magnétique 14 Plus bas les lignes de champ divergent, mais l'intensité de champ sur l'axe ne devient jamais plus faible que dans l'ouver- ture 9 Pour la mise en oeuvre du processus de chauffage, on pompe, à l'aide d'une pompe à vide poussé au niveau du raccord de pompe 15, l'intérieur du récipient et de la chambre 8 de la cathode thermoionique qui lui est reliée pour évacuer l'air, jusqu'à ce qu'on atteigne une pression -2 inférieure à environ 10 Pa La pompe étant en fonctionne- ment, on fait pénétrer par la soupape 13 suffisamment de gaz, par exemple le gaz rare argon, pour qu'il s'établisse dans le récipient une pression d'argon comprise entre 10-1 Pa et 1 Pa On chauffe alors la cathode thermoionique 12 et on branche l'appareil d'alimentation 7 Ce dernier pro- duit une tension électrique de par exemple 100 V (Pour amorcer l'arc à basse tension, il est avantageux de pla- cer momentanément la paroi isolée comportant l'ouverture 9 au potentiel de l'anode ou de la relier en permanence, par l'intermédiaire d'une résistance ohmique, au pÈle po- sitif de l'appareil d'alimentation de manière que l'a- morçage ait lieu automatiquement) Les électrons pénétrant dans le récipient 1 par l'ouverture 9 suivent, dans le cas d'une intensité de champ suffisante (par exemple 0,01 Tesla), les lignes de champ suivant des trajectoires hé- licoldales possédant de très faibles rayons, de sorte que le long de l'axe central il apparait une colonne de plasma dont le diamètre est déterminé par le diamètre de l'ouver- ture 9 Le champ magnétique a pour effet que les électrons peuvent se déplacer plus facilement parallèlement à l'axe que perpendiculairement à l'axe De ce fait, le courant é- lectronique se répartit sur toute la fixation 2 montée en anode Dans le cas d'un courant d'arc de 1 OOA et d'une ten- sion d'arc de 50 V, une puissance de chauffage d'environ 3 k W (rendement: 60 %) peut par exemple être transmis*e à la fixation 2 et au matériau à chauffer 3 La caractéris- tique courant-tension de la décharge et le rendement dé- pendent de l'intensité du champ magnétique et de la presion d'argon. Dans l'exemple de la figure 1, la bobine 14 pro- duit sensiblement un champ magnétique parallèle à l'axe vertical du récipient, et on voit que les lignes de-champ magnétique qui s'étendent longitudinalement au voisinage de l'axe à travers le faisceau de plasma ne coupent pas le matériau à chauffer Dans l'espace entre le faisceau de plasma et les surface's devant être chauffées règne un champ magnétique sensiblement parallèle à l'axe'qui a pour effet que les électrons se répartissent assez uniformément suivant la direction de l'axe, avant d'arriver sur les surfaces devant être chauffées. Sur la figure 2, des éléments correspondants du point de vue fonctionnel sont désignés par les mêmes références que sur la figure 1, et à vrai dire la réfé- rence 1 désigne le récipient, la référence 2 le disposi- tif de fixation pour le matériau à chauffer 3 qui est sup- porté par la plaque de fond 5 de l'installation et qui est isolé électriquement de celle-ci par l'isolateur 4/6 Sur la chambre de chauffage est montée latéralement, au moyen d'une bride, la chambre 8 de la cathode thermoionique dont la constitution correspond à celle de la chambre de catho- de thermoionique représentée sur la figure 1 En outre, il est de nouveau prévu une bobine 14 dont l'axe cependant, à l'opposé de l'agencement de la figure 1, ne coïncide pas avec l'axe longitudinal du faisceau de plasma 16, prove- nant de la chambre de cathode thermoionique et pénétrant dans la chambre de chauffage par l'ouverture lors du fonc- tionnement, mais est décalé parallèlement d'une certaine distance par rapport à celui-ci Comme indiqué sur la figu- re 2, ceci a pour effet que le faisceau de plasma 16 péné- trant dans la chambre de chauffage par l'ouverture est dé- vié vers le haut, en suivant les lignes de champ magnéti- que produites par la bobine 14 se trouvant plus bas, comme on peut le voir sur la figure 2, les lignes de champ magné- tique qui s'étendent parallèlement au faisceau de plasma dans l'ouverture de passage 9 ne pouvant pas couper le ma- tériau à chauffer D'autres lignes de force qui ne pénè- trent pas dans la chambre de chauffage par l'ouverture 9 mais traversent, sensiblement parallèlement à celle-ci, la paroi intermédiaire entre la chambre de cathode thermo- ionique et la chambre de chauffage, peuvent à vrai-dire traverser partiellement la surface à chauffer mais ne tou- chent cependant pas le faisceau de plasma Au contraire, 2 533103 dans des agencements connus le champ magnétique est uti- lisé justement pour guider le plasma s'étendant suivant les lignes de force magnétiques sur les surfaces à chauf- fer, ce qui conduirait à un réchauffement tout à fait non uniforme de façon locale,étant donné que la section trans- versale du faisceau de plasma présente une densité de por- teurs de charge très irrégulière A l'opposé des procédés de chauffage par plasma connus avec guidage magnétique du plasma, le procédé suivant l'invention apporte une amélio- ration très sensible de l'uniformité du réchauffement Avec le dispositif de la figure 1 par exemple, lors du réchauf- fement d'un chargement d'outils (par exemple des forets en spirale en acier) jusqu'à une température moyenne de 500 'C, on pourrait obtenir qu'il s'établisse une différence de tem- pérature de seulement 300 C entre les endroits les plus chauds et les plus froids du chargement, bien que les ou- tils à réchauffer aient été disposés dans le récipient con- tre la paroi de celui-ci qui est maintenue à la température ambiante, sans blindage vis-à-vis du rayonnement Une telle uniformité ne peut être obtenue à l'aide d'autres disposi- tifs de chauffage connus qu'avec une dépense en moyens techniques nettement plus importante Si dans le cas-du procédé suivant l'invention on souhaite quelque peu équili- *brer de faibles différences de température qui existent en- core, on peut en outre déplacer le matériau à chauffer, comme cela est rendu possible par exemple par le plateau tournant représenté sur la figure 2. Par matériau à chauffer dans le sens de la des- cription précédente;on entend non seulement des objets mais également des matériaux se présentant par exemple sous la forme de poudres. Le procédé suivant l'invention est vraiment très avantageux car les dispositifs nécessaires à cet effet peu- vent souvent également être utilisés pour d'autres phases opératoires, par exemple pour le bombardement du matériau à chauffer par des ions positifs provenant de la décharge suivant un arc à basse tension Dans ce cas, le matériau à chauffer est placé à un potentiel négatif par rapport à l'anode (distincte), de sorte que des dégagements ins- tantanés de gaz peuvent conduire au niveau du matériau à chauffer, à des décharges à étincelles qui laissent des traces nuisibles sur le matériau à chauffer De tels déga- gements instantanés de gaz peuvent être évités au moyen d'une phase de dégazage préalable par réchauffement du matériau à traiter Un bombardement par des ions positifs est effectué par exemple dans les processus de placage io- nique ou lors de la nitruration ionique. Revendications 1 Procédé pour le réchauffement uniforme d'un maté- riau à chauffer ( 3) dans un récipient ( 1) sous vide par bombardement du matériau à chauffer ( 3) par des électrons à partir d'une décharge suivant un arc à basse tension focalisé magnétiquement et maintenu entre une anode dis- posée dans le récipient et une cathode chaude ( 12) se trouvant dans une chambre de cathode ( 8) en communication avec le récipient ( 1) par l'intermédiaire d'une ouverture ( 9), caractérisé par le fait que pendant le chauffage il est maintenu un champ magnétique tel que celles des li- gnes de champ magnétique qui traversent l'ouverture ( 9) entre la chambre de cathode ( 8) et le récipient ( 1) ne traversent pas le matériau à chauffer ( 3). 2 Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il est maintenu un champ magnétique dont les lignes de champ magnétique qui passent à tra- vers ladite ouverture ne traversent pas l'anode de la dé- charge suivant un arc à basse tension. 3 Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le matériau à chauffer lui-même est monté en-anode pour la décharge suivant un arc à basse tension. 4 Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'un champ magnétique parallèle à la surface du matériau à chauffer est maintenu dans la région de cette surface. 5 Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le matériau à chauffer est disposé autour du faisceau de plasma. 6 Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le matériau à chauffer est simultanément déplacé. 7 Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant la revendication 1, comportant une chambre de chauffage ( 1) pouvant être mise sous vide, un dispositif de fixation ( 2) se trouvant dans celle-ci pour un maté- riau à chauffer ( 3) et une chambre de cathode ( 8) conte- nant une cathode chaude ( 12) et communiquant avec la cham- bre de chauffage par l'intermédiaire d'une ouverture ( 9) pour le passagedu plasma ( 16) produit par la décharge suivant un arc à basse tension, ainsi qu'un dispositif ( 14) pour produire un champ magnétique dans la chambre de chauffage, caractérisé par le fait que des lignes de champ magnétiques passant par l'ouverture ne traversent pas le matériau à chauffer ( 3) maintenu dans le dispositif de fixation ( 2) de la chambre de travail ( 1). 8 Dispositif suivant la revendication 7, dans lequel le dispositif de fixation pour le matériau à chauffez en- toure l'axe du faisceau de plasma dans la chambre de chauf- fage à la manière d'une gaine, et il est prévu une bobine magnétique pour produire un champ magnétique focalisant le plasma, caractérisé par le fait que la bobine magnétique est disposée de manière que les lignes de champ magnétique qu'elle produit entoure le matériau à chauffer dans la me- sure o elles traversent l'ouverture réunissant la chambre de chauffage et la chambre de cathode.