Brevet FR2546023A1 — publié le 19841116

DISPOSITIF ET PROCEDE POUR TRAITER LA PAROI INTERIEURE D'UN TUBE AU MOYEN D'UN EFFLUVE ELECTRIQUE La présente invention concerne un dispositif pour traiter la paroi intérieure d'un tube au moyen d'un effluve électrique en utilisant l'effet de cathode creuse pour produire un effluve concentré sur l'espace intérieur du tube, ce dispositif comportant une chambre à vide, une anode et une électrode auxiliaire agencée à l'intérieur du tube maintenu dans cette chambre à vide L'invention concerne en outre un procédé pour traiter la paroi intérieure d'un tube au moyen d'un effluve électrique. Un dispositif du genre mentionné est connu par le brevet allemand NI 976 529 Ce dispositif connu ne convient pas pour revêtir la surface intérieure d'un tube, par atomisation cathodique, d'une couche suffisamment adhérente et compacte, faite de matière d'électrode, car, sous l'effet des chocs avec les atomes et molécules de gaz, les atomes arrachés à l'électrode auxiliaire perdent la quasi totalité de leur énergie cinétique avant d'arriver sur la surface à revêtir Or cette énergie serait nécessaire pour que les atomes et molécules de gaz adsorbés dans la surface intérieure du tube en soient refoulés ou détachés lors de l'impact sur cette surface intérieure du tube, afin de réaliser une couche bien adhérente et compacte. Par ailleurs, un dispositif de ce genre, dans la mesure o il permettrait de réaliser des couches de grande qualité, présenterait des avantages essentiels par rapport à d'autres dispositifs connus pour le revêtement intérieur de tubes, tels que les dispositifs décrits, par exemple, dans les publications suivantes: demandes de brevet allemand DE-AS 2 820 301; DE-OS 2 544 942; et DE-OS 2 729 286; l'ouvragé intitulé "Thin Film Processes", par J L Vossen et W Kern, éditeur Academic Press, 1978. Ces dispositifs exigent des champs magnétiques ou des champs alternatifs à haute fréquence et sont donc onéreux et délicats à fabriquer et à mettre en oeuvre Les plus grandes difficultés apparaissent lorsqu'il s'agit de revêtir des tubes ferromagnétiques car, dans un tel cas, les champs magnétiques -sont -2 - altérés d'une façon telle que l'ionisation efficace du gaz est supprimée Un autre problème apparaît lors de l'essai d'atomisation ou pulvérisation réactive de l'électrode auxiliaire introduite dans le tube Comme, dans ce cas, le gaz réactif présent dans la couche de liaison est aussi consommé, cela conduit à un échauffement des composants gazeux réactifs dans le milieu entre les extrémités ouvertes du tube, en particulier si le dispositif d'atomisation occupe sensiblement la totalité du tube à revêtir L'utilisation d'un distributeur de gaz, comme décrit par exemple dans le brevet britannique NI 1 570 044, est impossible dans le cas du revêtement intérieur de tubes étroits. La présente invention a pour but d'améliorer un dispositif du genre mentionné précédemment, de façon qu'il permette l'exécution de divers traitements de la paroi intérieure de tubes, et en premier lieu l'exécution de traitements utiles pour l'application de couches minces, uniformes, adhérentes et compactes, tels que, par exemple, traitements thermiques préalables, décapage cathodique de la paroi intérieure suivi du revêtement de celle-ci par atomisation ("pulvérisation") cathodique En outre, les champs magnétiques, les champs alternatifs à haute fréquence et les grandes impédances d'écoulement, jusqu'à présent nécessaires dans de nombreux procédés, ne devront pas être indispensables. Selon l'invention, ces buts sont atteints, avec un dispositif du type mentionné ci-dessus, par le fait que l'électrode auxiliaire est agencée en dehors de l'axe du tube, dans la région de la paroi intérieure à traiter dont elle est séparée par un intervalle. Si on le compare au dispositif connu par le brevet allemand DE-PS 976 529, le dispositif selon l'invention permet d'obtenir l'effet de cathode creuse en présence d'une pression de gaz réduite Comme, en même temps, la distance entre l'électrode auxiliaire et la paroi intérieure du tube est réduite, le nombre des chocs que les atomes arrachés à l'électrode auxiliaire subissent, lors de leurs rencontres avec des atomes de gaz, avant d'arriver sur la paroi intérieure du tube, est donc réduit d'un double point de vue Cela conduit à des couches ayant une finesse de grain, une grande compacité et une adhérence surprenantes Il est avantageux -3 qu'ii y ait, pendant la formation de la couche de revêtement, un mouvement relatif entre tube et électrode auxiliaire, afin d'accroÂtre la régularité des couches. A la différence de l'agencement connu, le dispositif selon l'invention permet, de façon surprenante, d'obtenir encore un effet de cathode creuse suffisant lorsque l'électrode auxiliaire est au potentiel d'anode, ou bien à un potentiel flottant, de sorte qu'elle n'est pas atomisée En outre, il n'est pas nécessaire qu'elle soit enlevée du tube Il en résulte que l'invention permet aussi l'exécution d'un processus de revêtement en deux phases, la surface à revêtir étant attaquée par atomisation cathodique pendant la première phase, et revêtue par atomisation cathodique de l'électrode auxiliaire pendant la deuxième phase Une telle phase de décapage conduit à une particulièrement bonne adhérence de la couche sur son subjectile car la matière arrachée à la paroi du tube est déposée sur l'électrode auxiliaire puis, ultérieurement, au début de la phase de revêtement, redéposée en mélange avec la matière venant de l'électrode auxiliaire sur la surface intérieure du tube De cette manière, on obtient une transition continue entre la matière du tube et la matière de la couche, ce qui peut être considéré comme la cause de l'excellente adhérence. En outre, le dispositif selon l'invention permet non seulement d'exécuter un décapage avant revêtement de la paroi intérieure d'un tube, mais aussi d'effectuer d'autres traitements préalables sous décharge électrique en milieu gazeux Par exemple, il peut être utile que la paroi intérieure du tube, avant d'être revêtue, soit échauffée par un effluve électrique en milieu gazeux, la paroi du tube étant connectée en tant que cathode pendant la phase de décapage et de revêtement Dans le cas d'un simple échauffement, le recours à l'hélium comme gaz support d'effluve s'est avéré particulièrement approprié car l'hélium possède une action atomisante moindre que celle des gaz lourds, de sorte que des traitements purement thermiques, n'attaquant pas la paroi du tube, sont possibles avant la formation d'une couche de revêtement. On décrira maintenant plus en détail une forme de réalisation particulière de l'invention qui en fera mieux comprendre les caractéristiques essentielles et les avantages, étant entendu -4 - toutefois que cette forme de réalisation est choisie à titre d'exemple et qu'elle n'est nullement limitative Sa description est illustrée par les dessins annexés, sur lesquels: La figure 1 et la représente un exemple de réalisation préférée de l'invention;et La figure 2 représente un schéma de circuit électrique pour établir les conditions de branchement correspondant aux conditions "décaper par atomisation" et "revêtir". Sur les figures 1 et la, on a représenté schématiquement une coupe longitudinale et une coupe transversale d'un dispositif selon l'invention La chambre à vide est constituée par une partie cylindrique 1 sur laquelle sont aménagées une ouverture de pompage 2, et une admission de gaz 3 Cette partie 1 est fermée par un flasque-couvercle 4 et par un flasque de fond 5 Une électrode auxiliaire tubulaire 6, réalisée sous la forme d'un corps creux, est montée, avec possibilité de rotation autour de l'axe 7, sur le flasque-couvercle 4 Avec le tube à traiter 8, cette électrode délimite un espace d'un seul tenant, à deux parties contigles, comme on peut le voir sur la vue en coupe transversale (figure la) Dans la région de la surface intérieure du tube 8 qui doit être traitée, l'électrode auxiliaire 6 doit être à une distance 10 de l'axe 7 du tube aussi grande que possible, de façon qu'il y ait un volume inoccupé dans la région de l'axe L'interstice 12 est opportunément aussi réduit que possible, sa valeur étant limitée par les tolérances de fabrication et par l'absence impérative de tout contact entre l'électrode auxiliaire et la paroi du tube Pour simplifier, sur la figure 1, le flasque-couvercle 4 et le flasque de fond 5 sont portés à un potentiel électrique différent de celui des parois de la chambre à vide 1, et servent ainsi en même temps d'organes d'amenée de tension étanches au vide En pratique, ces parties doivent, bien entendu, être munies d'une protection empêchant de les toucher L'électrode auxiliaire 6 est refroidie par un agent réfrigérant qui la parcourt et est électriquement isolée de la chambre à vide 1 et reliée, par la borne T, à un circuit électrique représenté sur la figure 2 Le tube 8 à revêtir est, lui aussi, électriquement isolé de la chambre à vide et relié, par une borne S, au circuit précité. Ce circuit électrique (figure 2) établit la condition "décaper", cela lorsque l'interrupteur I est fermé, et la condition "revêtir" lorsque l'interrupteur II est fermé. Dans le premier cas, l'électrode auxiliaire est mise à un potentiel positif ou flottant par rapport à la paroi du tube Par contre, dans le deuxième cas, l'électrode est à un potentiel égal ou supérieur à celui de la paroi du tube et forme avec celle-ci une cathode creuse Les bornes T, S et A sur la figure 2 correspondent à celles selon la figure 1 La résistance réglable 13 -et l'instrument de mesure 14 servent à régler et contrôler la répartition d'énergie entre électrode auxiliaire et tube en régime d'atomisation. L'instrument 16 sert à mesurer le courant d'effluve total. Il peut être parfois utile de renforcer le traitement dans un dispositif selon l'invention en recourant, de façon connue, à des courants haute fréquence Pour cela, il est par exemple possible de monter, en plus, une deuxième électrode auxiliaire, isolée par rapport à la première électrode avec laquelle elle forme une paire d'électrodes haute fréquence Si l'on utilise à cette fin deux électrodes pliées en forme de U, analogues à celle représentée sur la figure 1, on obtient un agencement de type quadripolaire Le renforcement par un champ magnétique approprié est également possible, si le tube à revêtir n'est pas magnétisable Dans de tels cas, les adjuvants de ce genre accentuent les avantages que le dispositif selon l'invention permet d'obtenir. L'exemple de mise en oeuvre décrit ci-après permet de faire ressortir le progrès technique atteint par l'invention (figure 2) Un tube d'acier ayant une longueur de 550 cm et un diamètre intérieur de 40 cm doit recevoir un revêtement intérieur en Ti N L'électrode auxiliaire 6, faite d'un petit tube en titane ayant un diamètre extérieur de 6 mm, est pliée en U de façon que l'intervalle libre entre ses deux branches soit de 26 mm De manière connue, ce petit tube est revêtu de Ti N pulvérulent, en utilisant le procédé d'apport, connu, par projection sous plasma, jusqu'à l'obtention d'une couche épaisse d'environ 0,3 mm Après mise en place dans le dispositif selon la figure 1 et évacuation de l'air, on admet de l'hélium jusqu'à une pression de 0,4 mbar, puis, par -6- actionnement de l'interrupteur I, on applique au tube une tension négative que l'on porte progressivement de 300 à 900 V Après avoir atteint une température de 400 , l'hélium est évacué et remplacé par de l'argon, puis la source de tension est de nouveau appliquée. Après environ cinq minutes, l'interrupteur II est fermé au lieu de l'interrupteur I Alors, l'électrode auxiliaire se trouve au p 8 le négatif de la source de tension, et la poudre de Ti N apportée se trouve avantageusement pulvérisée La résistance réglable 13 est réglée de façon que, pour une tension de 570 V et un courant total de 3,1 A, il y ait une tension de 300 V appliquée au tube et un courant de 1,1 A dans l'ampèremètre 14 Après trois heures, une couche épaisse de 3,4 micromètres, ayant une dureté Vickers de 2600 et présentant la couleur jaune-or caractéristique du Ti N, s'est développée sur la paroi intérieure du tube. Naturellement, l'invention n'est en rien limitée par les particularités qui ont été spécifiées dans ce qui précède ou par les détails du mode de réalisation particulier choisi pour illustrer l'invention Toutes sortes de variantes peuvent être apportées à la réalisation particulière qui a été décrite à titre d'exemple et à ses éléments constitutifs sans sortir pour autant du cadre de l'invention Cette dernière englobe ainsi tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que de leurs combinaisons. -7 - REVENDICATIONS 1 Dispositif pour traiter la paroi intérieure d'un tube au moyen d'un effluve électrique en utilisant l'effet de cathode creuse pour produire un effluve concentré sur l'espace intérieur du tube, ce dispositif comportant une chambre à vide, une anode et une électrode auxiliaire agencée à l'intérieur du tube maintenu dans cette chambre à vide, et étant caractérisé en ce que l'électrode auxiliaire ( 6) est agencée en dehors de l'axe ( 7) du tube, dans la région de la paroi intérieure à traiter dont elle est séparée par un intervalle. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode auxiliaire ( 6) et le tube ( 8) sont agencés de façon que l'un d'entre eux puisse accomplir, par rapport à l'autre, un mouvement de rotation autour de l'axe ( 7) du tube. 3 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode auxiliaire ( 6) est réalisée sous la forme d'un corps creux oblong parcouru par un agent réfrigérant. 4 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode auxiliaire ( 6) est placée entre deux organes de fixation et est dirigée parallèlement à l'axe du tube. 5 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode auxiliaire ( 6) est constituée, au moins pour ce qui est de sa surface, de la matière qui doit être appliquée, par pulvérisation cathodique, sur la paroi intérieure du tube ( 8). 6 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode auxiliaire ( 6) est apte à être portée à un potentiel supérieur à celui du tube ( 8). 7 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est prévu un interrupteur pour établir ou supprimer une liaison électrique entre l'électrode auxiliaire et le pôle négatif d'un appareil fournissant une haute tension. 8 Procédé pour traiter la paroi intérieure d'un tube au moyen d'un effluve électrique, en utilisant le dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tension entre électrode auxiliaire et anode est au moins 1,5 fois la tension entre tube et anode.