Brevet FR2536309A1 — publié le 19840525

O 2536309 L'invention concerne un procédé de fabrication de stratifié comportant une couche fonctionnelle appliquée sur une couche porteuse et constituée par au moins deux matières différentes, la couche fonctionnelle étant appliquée par D projection au plasma d'un mélange pulvérulent des matières formant la couche fonctionnelle. En outre, l'invention concerne un stratifié fabriqué selon ce procédé - On a fait connaître de nombreux procédés selon 1 ó lesquels on projette sur un matériau porteur, dans des buts déterminés, le plus souvent pour la protection contre la corrosion airsi que pour des travaux de remise en état, du métal ou autre matériau fortement chauffé, par exemple-aussi de la matière synthétique, en partant de fil ou de poudre. Cela se fait à l'aide d'appareils de projection connus, par exemple par projection à la flamme, au plasma ou à l'arc. Par le brevet GB 1 083 003, il est connu de fabriquer des matériaux pour paliers, c'est-à-dire des stratifiés, en projetant à chaud sur un corps porteur des matériaux formant la couche fonctionnelle Lorsque la couche fonctionnelle est constituée par des métaux de densité très différente, par exemple l'aluminium et le plomb, il faut projeter ces cons- tituants avec des appareils séparés, dans des régions de la surface du corps porteur qui coïncident ou du moins se recou- pent O Selon ce procédé, lors de la projection sur un support en forme de bande se mouvant devant les appareils de projec- tion, on peut disposer les régions de projection affectées aux différents appareils de projection projetant des métaux de façon telle que dans une première région de surface, dans le sens de déplacement, on projette uniquement du métal de moindre densité, par exemple de l'aluminium Dans une région centrale de surface occupant la partie essentielle de la région d'ensemble, la région de projection du matériau léger et celle du matériau lourd, donc-celles de l'aluminium et du plomb, se recoupent O Dans une petite région de surface, qui est la dernière dans le sens de déplacement, on projette alors uniquement le métal le plus lourd, par exemple le plomb O Par suite, la couche fonctionnelle, en sa région d'épaisseur qui est voisine de la surface du corps porteur, est essentielle- ment formée du métal le plus léger, par exemple d'aluminium, tandis qu'au voisinage de la surface libre, il existe une teneur notablement accrue en métal plus lourd, par exemple en plomb Toutefois, il ne doit pas se former de couche de plomb pur. Ce procédé connu ne permet qu'une certaine variation de la composition dans les deux régions extérieures d'épais- seur de la couche fonctionnelle Au sein de la couche fonc- tionnelle proprement dite, il existe une composition prati- quement constante sur toute l'épaisseur. Par le brevet US 2 233 304, on connaît un appareil de paojevoti avec lequel on peut projeter sur un substrat un mélange de différents matériaux, par exemple un mélange de cuivre ou d'aluminium et de plomb fondu Toutefois, avec cet appareil, on ne peut pas faire varier la composition d'une couche fonctionnelle sur son épaisseur. Par le DE OS 25 09 109, on connaît un stratifié, en particulier pour paliers lisses composites, dans lequel sont formée 3 des zones à plus haute teneur en cuivre, dis- tribuées sur l I'épaisseur de la couche fonctionnelle Une couche fonctionnelle-de ce genre doit être appliquée au moyen de processus électrolytiques de dépôt Toutefois, à cause des processus électrolytiques de dépôt, le nombre des métaux à envisager pour la réalisation de couches fonction- nelles de ce genre est très réduit En outre, on ne peut maîtriser assez bien ces processus électrolytiques de dépôt pour pouvoir obtenir, avec ceux-ci, des variations exacte- ment définies de la composition de la couche, par zones, avec la reproductibilité voulue. Le but de l'invention est de fournir un procédé de fabrication de stratifiés de l'espèce décrite plus haut, qui permette de modifier par zones la composition de la couche, sur son épaisseur, de façon bien maîtrisable et exactement reproductible, plus précisément avec une consti- tution pratiquement quelconque de la couche. Ce problème est résolu selon l'invention par le fait que l'on effectue l'application de la couche fonctionnelle par une succession de plusieurs processus de projection au plasma, avec une composition différente du mélange pulvéru- 3 2536309 i lent des matières formant la couche fonctionnelle ou d'un matériau composite contenant des matières formant la couche fonctionnelle La succession de plusieurs processus de projection au plasma apparaît tout d'abord coûteuse Tou tefois, il est apparu que les moyens techniques nécessités par plusieurs processus de projection au plasma prévus selon l'invention sont moindres que dans les procédés connus de métallurgie des poudres Surtout, selon l'invention, on évite le risque de démixtion des associations de poudre-, qui a une importan- ce particulière, lorsque les corps a réunir dans la couche fonctionnelle présentent de grandes différences de densité. Grâce à l'invention, on obtient une constitution de couches d'uniformité particulièrement grande, avec une transition -15 continue entre zones de composition-différente. Le procédé selon l'invention peut s'appliquer à peu près à toutes les associations de matériaux Ainsi, par exemple,-on peut projeter avec 100 % d'un corps une surface préparée et, après un nombre déterminé de transitions de projection, on peut modifier la surface préparée en plusieurs étapes, au profit des proportions-de couche fonctionnelle, jusqu'à 100 % de couche fonctionnelle formée, par exemple, d'une céramique d'oxyde Ce passage de la surface préparée à la couche fonctionelle peut s'effectuer de façon continue, ou encore progressivement ou en une seule-étape Il est par- ticulièrement avantageux, dans le procédé selon l'invention, d'effectuer le revêtement par placage thermocinétique, pro- cédé qui, en vertu de sa conception, permet de projeter des couches à peu près exemptes de pores ou d'utiliser des maté- riaux pour lesquels il faut des températures supérieures à 35000 C Il est possible d'atteindre de telles températures avant la projection au plasma prévue selon l'invention Les hautes températures de la flamme de plasma permettent de- travailler sous forme de poudre à peu près tous les maté- riaux, métalliques aussi bien que non métalliques. Outre le choix du gaz de plasma, les paramètres de projection choisis comme, par exemple, la distance de pro- jection etc, permettent de faire varier dans une large mesu- re la qualité des couches et de l'adapter exactement à des 4 2-536309 l cas d'application désirés Par la nature et la quantité de la poudre amenée à la flamme de plasma, on peut, en outre, influencer la qualité future de la couche - Le procédé selon l'invention offre une grande lati- tude de variation Par exemple, l'un des corps ou l'un-des groupes de corps formant la couche fonctionnelle peuvent être prévus avec une-forte proportion-initiale, éventuelle- ment 100 % et en moindres proportions dans des processus de projection suivants, tandis qu'un deuxième corps ou un deuxième groupe de corps sont amenés en petite proportion initiale et, dans -des processus de projection suivants, avec des proportions accrues, éventuellement jusqu'à 100 % On peut aussi, dans tous les processus de projection au plasma, amener un troisième corps ou un troisième groupe de corps formant la couche fonctionnelle, en proportions pratiquement égales On peutiamener à zéro dans le mélange l'un des corps ou l'un des groupes de corps, pour le ou les derniers pro- cessus de projection au plasma D'autre part, on peut prévoir initialement une proportion nulle du deuxième corps ou du deuxième groupe de corps, pour le ou les premiers processus de projection au plasma, Les corps à plus basse température d'évaporation seront, de préférence, introduits dans le procédé selon l'invention avec une grosseur de particules supérieure à celle des corps à plus haute température d'évaporation. Selon un exemple d'exécution de l'invention, qui con- vient particulièrement à la fabrication d'un stratifié pour la réalisation d'éléments de glissement ou de frottement pré- sentant une couche de glissement ou de frottement en alliage de suspension aluminium-plomb, on prévoit le plomb pulvéru- lent avec une proportion initiale nulle et une proportion fi- nale de 15 à 40 % en poids, de préférence de 20 % en poids, dans-les mélanges de poudre à appliquer par projection au plasma La poudre d'aluminium peut être amenée avec une grosseur de particules inférieure de 100 jum, et de préférence de 50 à 100 pm et la poudre de plomb avec une grosseur de particules supérieure à 40 "im, de préférence de 80 à 100 >im. Le choix du procédé de projection au plasma dans le travail de l'aluminium et du plomb, matériaux à bas point de fusion, t-;i donnent lieu à la-structure selon l'invention, au lieu d'un procédé de placage thermocinétique comme la projection t'la flamme ou à l'arc, s'explique par le fait que des métaux à bas point de fusion comme l'aluminium et le plomb donnent, lorsqu'ils sont projetés au plasma, des couches extrêmemeit denses et à peu près exemptes de pores, ce qui a Ces effets positifs sur la résistance de la couche proje- Alors que la température de vaporisation est d'envi- r O on 2060 C pour l'aluminium et de 1740 C pour le plomb, l.'menée de poudre d'aluminium et de plomb dans une flamme, dont la tempeérature peut être égale ou supérieure à 17 000 C n'est rationnelle que si le terlps de séjour est court, de sorte que ces particules de poudre sont accélé- rées et que, selon le choix de la distance de projection, elles arrivent sur le substrat avec une grande énergie, soit à l'état liquide soit à l'état pâteux Il s'effectue sur le substrat un refroidissement rapide qui, outre l'an- crage mécanique, provoque des contraintes dans les particu- les projetées, ce qui permet d'expliquer dans la plus large mesure les mécanismes d'adhérence. La constitution de couche que l'on vise à obtenir selon l'invention est obtenue par le fait qu' après le pré- c 9,auffage de la surface du substrat par la flamme de plasma, on applique la constitution de couche proprement diteo A cet effet, après le préchauffage de la surface du substrat, on amène à la flamme tout d'abord seulement l'un des corps ou l'un des groupes de corps, par exemple l'aluminium, enune quantité déterminée par unité de temps Après un certain nombre de transitions de projection et une fois qu"une épaisseur de couche désirée est atteinte, on peu t diminuer la proportion ou la quantité de poudre du premier corps ou la maintenir constante tandis que, simultanément, on amene à la flamme de plasma le deuxième corps, par exemple le plomb, en quantité déterminée par unité de temps Ce pro- cessus peut se répéter après un nombre quelconque de transi- tions de projection et aux proportions du premier corps s'ajoutent celles du deuxième corps jusqu'à la constitution de la couche ou jusqu'à une couche finale qui, une fois i'épaisseur totale obtenue, contient, par exemple, pour les usages de paliers 80 parties en poids d'aluminium et parties en poids de plomb Une constitution de couches analogue avec transition continue vers de plus fortes pro- portions d'un autre constituant est recommandée pour l'uti- lisation dans des conditions tribologiques et ne peut être obtenue de façon analogue et dirigée, avec une transition continue, selon aucun des procédés antérieurement connus. L'invention concerne aussi un stratifié fabriqué selon le procédé de l'invention, comportant une couche por- teuse metalli Que et une couche fonctionnelle formée d'allia- ge rmtalilue, stratifié selon l'invention est caractéri- sé par le 2 alt qu'au moins un des constituants d'alliage, a sain de la couche fonctionnelley en partant d'une pro- portio J ruile au voisinage de la couche porteuse, augmente de racon pratiquement continue à mesure que la distance à la couche porteise augmente, jusqu'à une proportion maximale fixée a 1 'avance. Le c ns ituant d:alliage, dont la proportion augmente avec la distance l la couche porteuse peut passer à une pro- portion ma iae qui est pratiquement de 100 %, au côté de la couche qouctionnelle qui est plus éloigné de la couche porteuse Dans l'exemple d'alliages de suspension contenant de Li:l Thminiuïu et du plomb, cela signifierait que leur composition, en partant de 100 % d'aluminium, comporterait finalement 100 % de plomb comme couche de recouvrement Une telle constitution conviendrait moins bien à l'utilisation comme élément de construction, par exemple comme palier lisse. A cet effet, on constituera de préférence la couche fonc- tionnelle sous forme de couche de glissement essentiellement formée d'alliage aluminium-plomb, de façon telle qu'au voi- sinage de la couche porteuse elle soit formée d'aluminium pur et qu'au côté éloigné de la couche porteuse elle con- tienne 15 à 40 % en poids et de préférence 20 % en poids de plomb Toutefois, des couches fonctionnelles qui, à leur surface libre, passent à une couche de recouvrement formée de 100 % de plomb ont un grand intérêt lorsqu'il s'agit d'exécuter des éléments de construction sous une forme ré- sistant à la corrosion, problème technique qui se présente 7 E$ 363 09 ' souvent dans l'industrie chimique. Pour obtenir la constitution de couche selon l'in- vention, il est particulièrement avantageux d'utiliser un dispositif d'amenée de poudre, qui fonctionne 1 comme suit De la poudre est amenée mécaniquement à la flamme de plasma, par exemple par une roue à aubes, enpassant par une liaison, le fonctionnement mécanique étant assisté par un gaz porteur. Ce gaz porteur, sous une pression déterminée et avec un débit de gaz déterminé, amène les particules de poudre à la flamme Pour chaque poudre à travailler, il faut un dis- positif de ce genre,-de sorte que le nombre des poudres que l'on peut traiter simultanément par projection au plasma dépend du nombre des dispositifs d'amenée dont on dispose et selon-une autre variante du procédé selon l'invention, on mélange une poudre ou toutes les poudres-àtravailler, et, en outre, d'autres, avant de les travailler, c'est-à-dire avant de les introduire dans le dispositif d'amenée. En outre, naturellement, il est possible de travail- ler non seulement des mélanges de poudres pmais encore des poudres d'alliage Ainsi, par-exemple, l'aluminium peut contenir les constituants d'alliage qui-sont typiques pour l'aluminium Il en est de même pour le plomb, qui peut égale- ment être allié. La forme de particules du mélange, de l'alliage ou de la poudre à utiliser dans le cadre de l'invention pour le placage thermocinétique doit être, de préférence, sphéri- que Il faut donner la préférence à une telle forme sphéri- que de particules plutôt-qu'à une forme irrégulière ou lobée. Comme gaz de plasma pour le processus de projection thermique, on peut utiliser aussi bien l'azote que l'argon, en-utilisant dans chaque cas l'hydrogène comme-gaz secondaire. La distance de pulvérisation entre la buse et le sub- strat à revêtir doit être de 100 à 150 mm, de préférence de + 5 mm Même de légers écarts de;distance les autres paramètres étant constants influencent dans une mesure notable la qualité de la couche Par le procédé selon l'in- vention, on obtient une liaison optimale de la couche proje- tée sur le matériau porteur choisi, avec une transition con- tinue jusqu'à la composition-désirée de la couche finale, 8 2536309 c'est-à-dire de la couche superficielle de la couche fonc- tionnelle. Dans le processus de revêtement continu du substrat, on amène à la flamme de plasma la quantité prescrite de cha- que poudre et on revêt le substrat préchauffé au moyen de la flamme de plasma qui se déplace le long du substrat En outre, il est possible aussi de disposer la flamme de plasma de façon fixe et de déplacer le substrat devant la flamme. Le déroulement du mouvement s'effectue de telle sorte que toute la surface à revêtir du substrat est parcourue par la flamme de plasma, avec une vitesse verticale et horizon- tale constante de 500 mm/s Il peut s'effectuer assez de transitions de projection c'est-à-dire de cycles pour que l'épaisseur désirée de la couche projetée soit atteinte. Après chaque transition, on peut faire varier la composition de la couche projetée en modifiant la quantité de poudre, qui est amenée à la flamme de plasma Le stratifié ainsi - fabriqué ne doit pas, après le processus de revêtement, être soumis à des compressions supplémentaires Pcar la couche obte- 2 p nue par projection à la flamme de plasma est à peu près exempte de pores (volume de pores moins de 5 %) Selon une variante du procédé selon l'invention, après avoir mélangé les poudres à introduire dans la flamme de plasma, on peut les comprimer en un corps solide et les introduire dans la flamme de plasma en tant que matière com- posite, sous la forme d'un corps solide comprimé, par exemple en forme de fil. Un exemple d'exécution d'un stratifié fabriqué selon l'invention est expliqué plus précisément ci-après à propos du dessin. Le dessin est une vue en coupe agrandie d'un stratifié selon l'invention, comportant un corps d'acier comme couche porteuse et une couche fonctionnelle formée d'un alliage de suspension Al Pb, la transition de l'aluminium à l'alliage de suspension Al Pb de la composition désirée s'effectuant de façon continue. Un ruban d'acier 1 a été prétraité par sablage de sa surface à revêtir 2, pour offrir à la couche fonctionnelle à appliquer une surface exempte d'impuretés qui, en vertu de :9: 25363091 c structure, offre partiellement la possibilité d'un ancra- ge mécanique: : Par plusieurs passages de projection au plasma a Èté appliqué un revêtement 3 essentiellement formé d'alumi- nium 4 et de plomb 5 Comme matériau support, on a utilisé un acier selon DIN 1623 de 1,5 mm d'épaisseur La couche de projection de base 6 est formée d'Al 99,5 La couche proje- S Se 7, quise constitue ensuite dessus, présente une teneur ea plomb qui augmente de façon continue jusqu'à une propor- tion de 80 % en poids d'aluminium et 20 % en poids de plomb. Exemple 1 La poudre d'aluminium utilisée a une forme de particules principalement sphériques avec une grosseur supérieure à "m à raison de 100 % La gamme de grosseur du plomb uti- lisé est supérieure à 50 um à raison de 100 %, les particu- les de poudre ayant également une forme de préférence sphéri- que. Comme gaz primaire, on utilise de l'azote sous une pression de 3,5 bar à un débit de 150 1/mn Comme gaz secon- daire, on utilise l'hydrogène à une pression de 3,5 bar et à un débit de 10 o On maintient constante, à 30 k W, la puissance de l'installation à plasma Au début du processus de projec- tion, on travaille avec 40 g/mn d'aluminium On ne modifie pas cette quantité de poudre jusqu'à la dernière transition de projection Après la fin de la troisième transition de projection, on amène séparément à la flamme de plasma du plomb en plus de l'aluminium, jusqu'à ce que, l'épaisseur désirée étant atteinte, la proportion de plomb se soit élevée à 20 % en poidso Exemple 2 On met en oeuvre le procédé comme dans-l'exemple 1, mais on utilise l'argon comme gaz de plasma, c'est-à-dire comme gaz primaire La pression de gaz primaire est de 6,9 bar, le débit de 150 Comme gaz secondaire, on utilise l'hydrogène à une pression de 3,5 bar et à un débit de 5 1/mn. 0 t Cb D U a a p R E V E N D I C A T I O N S - io Procédé de fabrication de stratifié comportant une couche fonctionnelle appliquée sur une couche porteuse et constituée par au moins deux matières différentes, la couche fonctionnelle étant appliquée par projection au plasma d'un mélange pulvérulent des matières formant la couche-fonctionnelle, ou d'une matière composite par exem- ple en forme de fil, contenant les corps, qui forment la couche fonctionnelle, procédé caractérisé en ce que l'on effectue l'application de la couche fonctionnelle par une succession de plusieurs processus de projection au plasma, avec fine Co r osition différente du mélange pulvérulent des matiraes formant la couche fonctionnelle-ou d'un matériau compsi te contenant des matières formant la couche fonction- 2, Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'un des corps ou l'un des groupes de corps formant la couche fonctionnelle sont prévus avec une forte propor- tion i-iti'alle et dans des processus de projection au plasma qui suit; ent, avec de moindres proportions, tandis qu'un deuxlmae corps ou un deuxième groupe de corps sont amenés avec une moindre proportion initiale et dans des processus de projction au plasma qui suivent, avec des proportions accrues " 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on amène, dans tous les processus de projection au plasma, en proportions pratiquement égales, un troisième corps ou un troisième groupe de corps formant la couche fonctionnelleo 4 Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que pour le ou les derniers pro- cessus de projection au plasma, on ramène l'un des corps ou l'un des groupes de corps à une proportion nulle dans le mélange. 5 Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que l'on prévoit le deuxième corps ou le deuxième groupe de corps, pour le ou les premiers pro- cessus de projection au plasma, avec une proportion initiale nulle. l 2536309 i 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on introduit dans le mélange de poudre les corps ayant une plus basse température de va- porisation avec une plus grande grosseur de particules que les corps ayant une plus haute température de vaporisation. 7 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, pour l'obtention d'un stratifié pour la fabrication d'éléments de glissement ou de frottement présentant une couche de glissement ou de frottement formée d'alliage de suspension aluminium-plomb, caractérisé en ce que, dans le mélange de poudre à appliquer par les processus de projec- tion au plasma, le plomb est en proportion initiale nulle et en proportion finale de 15 à 40 % en poids, de préférence de % en poids. 8 Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que l'on amène la poudre d'alumi- nium avec une grosseur de particules inférieure à 100 um, de préférence de 50 à 100 om et la poudre de plomb avec une grosseur de particules supérieure à 40 -im, de préférence de 80 à 100 hmo 9 Stratifié fabriqué par un procédé selon l'une des revendications 1 à 8, comportant une couche porteuse métalli- que et une couche fonctionnelle formée d'alliage méltallique et caractérisé en ce qu'au moins un des constituants d'al- liage, aux seins de la couche fonctionnelle ( 3), en partant d'une proportion nulle au voisinage de la couche porteuse (T) augmente de façon pratiquement continue à mesure que la dis- tance à la couche porteuse augmente,,jusqu"à une proportion maximale fixée à l'avance. 10 Stratifié selon la revendication 9, caractérisé en ce que le constituant d'alliage dont la proportion augmente en s'éloignant de la couche porteuse (il arrive à une propor- tion maximale qui est pratiquement de 100-%, sur le côté de la couche fonctionnelle ( 3) qui est éloigné de la couche por- teuseo 11 Stratifié selon la revendication 9, caractérisé en ce que la couche fonctionnelle ( 3) est une couche de glisse- ment essentiellement formée d'alliage de suspension aluminium- plomb, qui, au voisinage de la couche porteuse ( 1), est formée 12 2536309 ' d'aluminium pur et qui, au côté éloigné de la couche por- teuse ( 1), contient 15 à 40 % et de préférence 20 % en poids de plomb. 12 Stratifié selon l'une quelconque des revendica- tions 9 et 10, caractérisé en ce que la couche fonctionnel- le ( 3) est une couche de protection contre la corrosion qui, au voisinage de la couche porteuse ( 1), est formée seulement d'aluminium pur et qui, au côté éloigné de la couche porteuse ( 1), passe à une couche superficielle formée seulement de plomb.