Brevet FR2553310A1 — publié le 19850419

La présente invention concerne les appareils à jet de plasma en général et, plus particulièrement, des appareils à jet de plasma permettant d'enlever des agents de contamination d'un substrat conducteur. Dans l'art antérieur, on a utilisé des dispositifs à jet de plasma pour appliquer des revêtements à des substrats conducteurs Dans des dispositifs de ce type, on maintient un arc à travers un courant de gaz inerte, par exemple un mélange d'hélium et d'argon L'arc provoque l'ionisation 10 et le chauffage du gaz inerte, pour produire un courant gazeux ionisé, ou plasma, qui est typiquement dirigé, par l'intermédiaire d'une ouverture, vers une pièce conductrice. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3 179 783 décrit un tel dispositif à jet de plasma dans lequel une poudre devant 15 être appliquée sur la surface d'une pièce est injectée dans le jet de plasma On maintient la pièce à un potentiel positif par rapport à l'électrode de polarité directe du dispositif à jet de plasma dans le but de former un arc de transfert qui sollicite le jet de plasma ionisé, et la poudre en20 traînée, pour que celle-ci frappe le substrat à grande vitesse Le substrat se trouve chauffé sous l'effet de l'impact du plasma chaud, celui-ci étant facilité par l'arc de transfert La poudre, par suite de sa présence dans le plasma chaud, s'échauffe et fond, et les particules à l'état 25 fondu sont projetées à haute vitesse sur le substrat chaud I 553310 -2 pour y former un revêtement. Ce brevet décrit également l'application à la pièce d'impulsions à haute tension de manière à créer périodiquement une décharge par étincelles énergétiques et provo5 quer le durcissement de la surface du substrat qui, dans l'exemple décrit, est de l'acier doux pouvant être écroui par un tel traitement On décrit aussi dans ce brevet l'utilisation de polarités inversées sur l'une ou l'autre des deux alimentations ainsi que l'emploi de courant alternatif 10 seul ou l'utilisation mixte de courant alternatif et de courant continu sans qu'il soit fait mention des paramètres ou de leurs effets. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4 162 389 décrit l'utilisation d'une cible cathodique pour augmenter 15 la continuité d'un cordon de soudure et réduire sa pénétration Ce brevet ne traite pas du problème du nettoyage. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 4 328 257, que l'on supposera ici connu, décrit un système et un procédé pour revêtir sous plasma avec un matériau protecteur un 20 substrat en alliage spécial tel celui utilisé, par exemple, dans les ailettes ou aubes des turbines à gaz On fait précéder l'opération de revêtement sous plasma, dans laquelle les tensions appliquées produisent une pièce anodique, d'une phase de nettoyage au cours de laquelle les tensions appli25 quées produisent une pièce cathodique Pendant la phase de nettoyage, des points de la cathode situés aux extrémités de petits arcs se déplacent à travers la surface de la pièce. Le mouvement des points de la cathode est provoqué par les champs électrique et magnétique produits par les arcs eux30 mêmes, ce mouvement étant facilité par le déplacement complexe du canon à plasma et de la pièce dans le but d'éliminer les agents de contamination de la surface de ces alliages. Bien que ne voulant pas que le domaine de protec35 tion soit limité par une théorie particulière de fonctionne- ment de leur dispositif et du procédé, les présents inventeurs pensent que le nettoyage en surface d'une pièce cathodique repose sur le fait que les agents de contamination de la surface des super-alliages comme l'alliage dit IN 738 de 5 la Société International Nickel, et plus particulièrement les oxydes de ces super-alliages forment des couches isolantes de faible épaisseur ayant des constantes diélectriques importantes Ils pensent que l'application d'un champ électrique ayant une intensité suffisante aux bornes de telles 10 couches isolantes de faible épaisseur provoque une contrainte diélectrique dans les agents contaminants de la surface qui est suffisante pour être à l'origine d'un courant de décharge par émission On observe alors un grand nombre d'arcs se terminant par des taches cathodiques sur la pièce chargée 15 négativement En théorie, tout au moins, le mouvement des taches cathodiques auto-induit par les champs électrique et magnétique, facilité par le déplacement relatif du canon à plasma et de la pièce, doit être suffisant pour maintenir le déplacement des arcs et de leurs taches cathodiques à une 20 vitesse assez élevée sur la surface de la pièce pour que, malgré l'enlèvement de la couche d'agent de contamination et le nettoyage du substrat métallique sous-jacent de la pièce, ce mouvement soit assez rapide et continu pour qu'il n'y ait pas surchauffe et donc endommagement du substrat. Les présents inventeurs ont observé que les arcs servant au nettoyage dans le dispositif et le procédé du brevet N 4 328 257 adhérent parfois à certains endroits ou s'y immobilisent pendant une durée excessive, produisant localement une fusion et une surchauffe du substrat Il peut 30 en résulter des piqûres et une perte de matériau ainsi que de hautes températures destructrices, en particulier dans le voisinage des sections de faible épaisseur telles que le bord de fuite ou le bout de l'ailette Si on suspecte un endommagement dû aux arcs pendant le processus de nettoyage, 35 il y a lieu d'examiner manuellement la pièce pour rechercher -4 les pertes excessives de matériau et/ou les criques Si on constate des avaries de cette nature, il n'y a pas d'autre alternative que de mettre l'ailette au rebut Comme les ailettes en superalliage sont des composants coûteux, et que 5 l'opération de nettoyage s'effectue presque à la fin du cycle de fabrication, c'est-à-dire au moment o une ailette représente un investissement élevé en main-d'oeuvre et en matière, un moyen permettant de réduire, voire d'éliminer, le taux de rebut à ce stade avancé du processus de fabrica10 tion serait le bienvenu. En conséquence, la présente invention a pour objet un procédé et un appareil de nettoyage d'un substrat avec un dispositif produisant un arc à plasma qui permettent d'éliminer les inconvénients des systèmes de l'art antérieur. La présente invention a pour autre objet un procédé et un appareil de nettoyage d'un substrat o l'on fait varier le courant traversant une pièce catnodique entre des valeurs maximum et minimum, ce qui permet d'améliorer la mobilité des taches cathodiques sur la piece. Selon un mode de réalisation de la présente invention, on prévoit un appareil de nettoyage par jet de plasma d'une pièce comprenant un moyen de production d'un jet de plasma pouvant venir frapper la pièce, un moyen de production d'une tension négative sur la pièce capable de mainte25 nir un courant cathodique entre la pièce et le moyen de production d'un jet de plasma, et un moyen permettant de faire varier d'une manière cyclique le courant cathodique à une certaine fréquence de répétition entre une première intensité assurant le nettoyage de la pièce par jet de plasma et 30 une seconde intensité, plus faible, propre à améliorer le déplacement des taches cathodiques sur la surface de la pièce, d'o il résulte un meilleur nettoyage avec un risque moins grand d'endommagement de la surface de la pièce. Selon une caractéristique de la présente inven35 tion, on prévoit un procédé de nettoyage par jet de plasma d'une pièce qui comprend les étapes suivantes: production d'un jet de plasma pouvant frapper une pièce, sousmission d'une pièce à une tension négative permettant d'y maintenir un courant cathodique, variation d'une manière cyclique du 5 courant cathodique à une certaine présence de répétition entre une première intensité assurant le nettoyage de la pièce par jet de plasma et une seconde intensité, plus faible, propre à améliorer le déplacement des taches cathodiques sur la surface de la pièce, d'o il résulte un meilleur nettoya10 ge avec un risque moins grand d'endommagement de la surface de la pièce. En bref, la présente invention prévoit un appareil et un procédé o la tension d'alimentation d'un arc de transfert dans un appareil de nettoyage par jet de plasma 15 sert à provoquer un courant cathodique dans la pièce pour en nettoyer la surface. La présente invention prévoit un procédé et un appareil permettant de faire varier de manière cyclique la tension appliquée entre au moins deux valeurs négatives qui 20 provoquent deux valeurs du courant dans la pièce La tension la plus négative a pour objet de produire un courant élevé dans la pièce et d'éliminer les impuretés diélectriques présentes sur sa surface La tension moins négative permet de maintenir un courant suffisamment faible pour améliorer le 25 mouvement du jet de plasma sur la surface de la pièce de manière à contrecarrer toute tendance que pourraient avoir les taches cathodiques à s'immobiliser sur la pièce pendant l'application de la tension la plus négative et du courant plus élevé. Les objectifs précédents ainsi que d'autres objectifs, caractéristiques, et avantages de la présente invention apparaîtront à la description suivante faite en liaison avec les figures annexées qui représentent respectivement: figure 1, un schéma synoptique simplifié d'un 35 appareil de nettoyage par plasma selon un mode de réalisa- tion de la présente invention; figure 2, une courbe du courant dans la pièce en fonction du temps pour l'appareil de nettoyage de la figure 1. On connaît dans l'art antérieur des appareils de 5 revêtement par arc à plasma incorporant un nettoyage par polarité inverse tels que, par exemple, l'appareil décrit dans le brevet n 4 328 257 cité ci-dessus; l'un des fabricants de ce type d'appareil est, par exemple, la société dite Electro-Plasma Inc d'Irvine, Californie La structure in10 terne et le fonctionnement normal d'un tel apparail n'ont pas besoin d'être décrits en détails ici pour permettre à l'homme du métier de mettre la présente invention en pratique C'est pourquoi on limitera la présente description à ce qui est nécessaire pour comprendre l'invention et omettra 15 tous les autres éléments bien connus de l'homme du métier. En liaison maintenant avec la figure 1, on a représenté, dans ses grandes lignes en 10, un appareil de nettoyage par jet de plasma selon la présente invention Bien que non mentionné dans la figure, ni décrit ici, l'appareil 20 10 peut également faire partie d'un dispositif de revêtement ou de soudage par plasma devant exécuter cette opération après nettoyage de la pièce Une chambre à plasma 12 comprend, comme cela est classique, une enceinte pouvant être rendue étanche dont la pression intérieur peut être réglée 25 par une pompe à vide 14 La chambre 12 renferme un canon à plasma 13 et une pièce devant être nettoyée (non représentée) Un dispositif 16 de commande du mouvement de la pièce et du canon à plasma permet d'obtenir, comme cela est classique, un déplacement complexe du canon 13 et de la pièce 30 tant en translation qu'en rotation autour d'un ou de plusieurs axes afin d'obtenir une disposition continuellement changeante entre le canon 13 et la pièce pour favoriser un déplacement rapide des taches cathodiques pendant le nettoyage et aboutir à une couverture plus uniforme pendant le 35 revêtement. Le canon à plasma 13 reçoit un gaz inerte, par exemple, un mélange d'hélium et d'argon, en provenance d'une source 18 On maintient une décharge électrique à travers le gaz du plasma circulant dans le canon 13 au moyen d'une ali5 mentation en courant continu 20 La décharge électrique a pour effet d'ioniser le gaz inerte et de produire un jet de plasma Une alimentation classique 22 pour arc de transfert applique normalement une tension positive en courant continu à la pièce dans la chambre 12 pendant l'opération de revête10 ment et une tension négative en courant continu pendant l'opération de nettoyage Pour améliorer le nettoyage et réduire sensiblement l'immobilisation ou adhérence des arcs de nettoyage pendant un temps excessif, la présente invention ajoute un pulseur 24 qui modifie périodiquement la tension 15 négative de courant continu appliquée à la pièce entre au moins deux valeurs de façon à faire varier le courant dans la pièce. En liaison maintenant avec la figure 2, on a représenté une courbe du courant dans la pièce selon un mode 20 de réalisation de la présente invention La tension appliquée entre la pièce et le canon 13 a pour effet de faire varier le courant dans la pièce entre une intensité maximum 26 et une intensité minimum 28 L'intensité maximum 26 peut être sensiblement identique à celle que produit une alimen25 tation en courant continu de l'art antérieur pour le transfert d'arcs On choisit l'intensité minimum 28 à une valeur suffisamment faible pour favoriser le déplacement des taches cathodiques sur la pièce et éviter de les immobiliser Si on permettait une iversion de la tension ou des périodes à ten30 sion nulle se traduisant par l'absence de courant entre périodes à intensité maximum, on aurait vraisemblablement des problèmes de réamorçage du courant On notera par conséquent que, bien que l'intensité minimum 28 soit inférieure à l'intensité maximum 26, il y aura en permanence maintien du cou35 rant dans le plasma de sorte qu'on évitera les problèmes d'amorçage d'arc après une période de courant nul. Parmi les paramètres réglables qui régissent la qualité du nettoyage effectué et l'absence d'endommagement de la pièce dû à l'immobilisation des arcs on peut citer: 1 l'intensité maximum du courant, 2 l'intensité minimum du courant, 3 le rapport cyclique entre intensités maximum et minimum, 4 la fréquence des pulsations entre intensités 10 maximum et minimum, la pression régnant à l'intérieur de la chambre à plasma, 6 la distance entre le canon à plasma et la pièce, 7 le mouvement du canon à plasma et de la pièce 15 pendant l'opération de nettoyage. En fonctionnement normal, même dans le cas d'un nettoyage effectué en courant continu non pulsé, la fusion due aux arcs, bien qu'à l'origine d'un problème important avec des conséquences économiques sérieuses lorsqu'elle se 20 produit, reste un évènement relativement rare A des fins d'essai, il est commode de former sur une pièce un revêtement diélectrique d'un type simulant les agents de contamination normalement rencontrés sur une surface mais garantissant la présence d'un grand nombre de taches dues aux arcs 25 ainsi qu'une fusion importante provoquée par les arcs avec un nettoyage en courant continu non pulsé Un revêtement en Mg O convient à cet effet et est, de plus, utile car il s'agit d'un matériau qu'on peut appliquer à la surface d'une pièce lors d'une des phases d'un processus d'inspection de 30 criques et dont l'élimination peut ne pas être complète au moment de l'opération de nettoyage par arc au plasma Avec un revêtement de ce type et un courant continu non-pulsé dans la pièce d'environ 140 ampères, on pu produire entre environ 7 et environ 77 points de fusion par 10 cm 2 dus aux 35 arcs On a observé sur la pièce entre environ 15 et environ -9 taches cathodiques De plus, la vitesse de déplacement des taches cathodiques sur la pièce était d'environ 38 mètres par seconde pour des surfaces de cible relativement propres, alors qu'elle tombait aux environs de 19-25 mètres par seconde sur des surfaces revêtues. Avec une alimentation en courant continu pulsé (Figure 2) dont l'intensité maximum 26 s'élevait à 140 ampères et l'intensité minimum 28 représentait environ 25 % de l'intensité maximum, et un rapport cyclique (rapport entre 10 l'intensité maximum 26 et l'intensité minimum 28) de 50 %, le nombre de taches cathodiques sur la pièce augmentait d'environ 25 % et la vitesse de déplacement des taches dues aux arcs passait à environ 50 100 mètres par seconde quelque soit l'état de surface de la pièce On améliorait le net15 toyage même si on diminuait la puissance appliquée Il est apparu que le courant réduit circulant pendant la période à intensité minimum 28 permettait d'éliminer tout début de tendance à l'immobilisation des taches cathodiques et contribuait à leur mobilité Comme il y a diminution de la ten20 dance à la formation d'arcs en l'absence d'une couche diélectrique qui est à l'origine de telles formations sous l'effet des émissions par champ électrique, l'augmentation du nombre des taches cathodiques et l'accroissement de leur mobilité ont pour effet d'améliorer l'efficacité du nettoya25 ge tout en éliminant virtuellement l'adhérence des arcs, donc les risques d'endommagement de la pièce Ces risques d'endommagement sont encore diminués si l'on réduit la puissance moyenne à laquelle la pièce est soumise On a trouvé que la réduction de la puissance moyenne appliquée à une ai30 lette de turbine se traduisait par une diminution de la température moyenne, atteinte pendant l'opération de nettoyage dans les sections critiques de faible épaisseur des zones situées en bout et au bord de fuite, qui pouvait atteindre environ 17 C. On a obtenu les meilleurs résultats avec un mode de réalisation de l'invention dans lequel la pression dans la chambre à plasma 12 était comprise entre environ 3,3 k Pa et environ 5,2 k Pa. Lorsque le rapport cyclique de la forme d'onde 5 pulsée en courant continu est porté à une valeur supérieure à environ 85 %, il ne semble pas que la durée soit suffisante pour que les taches cathodiques se détachent d'elles-mêmes pendant la période d'intensité minimum 28 et avant le commencement de la période d'intensité maximum 26 suivante. 10 Cette situation provoque une adhérence et un endommagement résultant sensiblement équivalents à ceux rencontrés lors d'un nettoyage en courant continu non pulsé décrit précédemment Lorsqu'on réduit le rapport cyclique à une valeur inférieure à environ 15 %, on obtient un nombre plus petit 15 d'arcs davantage prononcés et donc un moins bon nettoyage. Aux faibles rapports cycliques, il n'apparaît pas qu'il y ait un temps suffisant lors de la période à intensité maximum 26 pour que la pièce soit nettoyée correctement Ainsi, il semble qu'une plage pratique de fonctionnement correspon20 de à un rapport cyclique compris entre environ 15 et 85 %, le rapport optimum étant de l'ordre de 50 %. Une plage allant d'environ 5 à environ 60 impulsions par seconde pour la fréquence de répétition de la forme d'onde en courant continu pulsé, représentée en figure 2, 25 permet d'obtenir une mobilité raisonnable des taches cathodiques Une fréquence d'environ 10 impulsions par seconde se traduit par le nettoyage le plus efficace dans le cas de l'application particulière à un essai. S'agissant d'autres pièces et/ou d'autres opéra30 tions de nettoyage par jet de plasma, il peut s'avérer nécessaire de modifier la pression régnant dans la chambre, le courant dans la pièce, l'intensité maximum 26, le rapport entre courants maximum 26 et minimum 28 ou rapport cycliques, la fréquence de répétition des impulsions, la distance 35 entre canon et cible, ou autres conditions de fonctionnement, pour leur conférer une valeur différente de celles ve nant d'être indiquées Néanmoins, l'homme du métier sera en mesure, à partir de la description venant d'être faite, de déterminer les changements à apporter aux paramètres par 5 l'exercice des techniques courantes sans avoir à effectuer des travaux d'expérimentation exagérés. On ne doit pas considérer la forme d'onde carrée représentée en figure 2 comme limitant le domaine de la présente invention car d'autres formes peuvent également con10 venir Par exemple, dans certaines applications, des formes d'onde trapézoïdales, sinusoïdales, en dents de scie ou autres formes appropriées permettant de maintenir le passage d'un courant dans la pièce tout en en faisant varier suffisamment son intensité pour améliorer la mobilité des taches 15 cathodiques et diminuer leur immobilisation peuvent se traduire par un meilleur nettoyage et un endommagement réduit de la pièce. Les présents inventeurs ont observé que le trajet suivi par les taches cathodiques avec une alimentation en 20 courant continu pulsé selon la présente invention est plus sensible à la géométrie de la pièce que le trajet emprunté par les taches cathodiques avec une alimentation en courant continu non pulsé; c'est-à-dire que le jet de plasma suit un trajet sensiblement différent sur une partie concave de la 25 pièce que sur une partie convexe Pour certaines géométries de pièce, il peut être préférable de contrôler plus étroitement le trajet des taches cathodiques dans certaines parties de la pièce en utilisant une alimentation en courant continu non-pulsé, tout en améliorant le nettoyage et en réduisant 30 les risques d'endommagement en employant du courant continu pulsé pour les autres parties Dans le but de réaliser un tel contrôle, on peut mettre sélectivement le pulseur 24 en marche et hors-marche de façon qu'hors-marche, il y ait fourniture d'un courant continu non pulsé et, en marche, 35 d'un courant continu pulsé. REVENDICATIONS 1 Appareil pour le nettoyage par jet de plasma d'une pièce, caractérisé en ce qu'il comprend: un moyen ( 18) pour produire un jet de plasma pouvant venir frapper une pièce, une moyen ( 20) pour produire une tension négative sur la pièce permettant de maintenir un courant cathodique entre la pièce et le moyen de production d'un jet de plasma; et un moyen ( 34) pour faire varier de manière cyclique le courant cathodique à une certaine fréquence de répétition entre une première intensité ( 26) assurant le nettoyage de la pièce par jet de plasma et une seconde intensité ( 28), plus faible, propre à améliorer le mouvement du jet 15 de plasma sur une certaine surface de la pièce, d'o il résulte un meilleur nettoyage et une diminution des risques d'endommagement de la surface de la pièce. 2 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport cyclique entre la première intensité 20 ( 26) et la seconde intensité ( 28) est compris entre environ et 85 %. 3 Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que le rapport cyclique est environ 50 %. 4 Appareil selon la revendication 1, caractérisé 25 en ce que la fréquence de répétition est comprise entre environ 5 et 60 cycles par seconde. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que la fréquence de répétition est environ 10 cycles par seconde. 6 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence de répétition est telle qu'il y a amélioration du déplacement du jet de plasma sur une certaine surface de la pièce. 7 Appareil selon la revendication 1, caractérisé 35 en ce qu'une forme d'onde (figure 2) des première ( 26) et seconde ( 28) intensités est une forme d'onde en courant continu pulsé. 8 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen ( 34) permettant de faire varier de maniè5 re cyclique le courant cathodique comprend un moyen pour appliquer la première intensité ( 26) pour le nettoyage de parties sélectionnées de la pièce, ce qui améliore la possibilité de contrôle de la position du jet de plasma dans ces parties. 9 Procédé de nettoyage d'une pièce par jet de plasma, caractérisé en ce qu'il comprend: la production d'un jet de plasma pouvant être projeté sur une pièce, la production d'une tension négative sur la piè15 ce permettant de maintenir un courant cathodique dans la pièce; et la variation de manière cyclique du courant cathodique à une certaine fréquence de répétition entre une première intensité ( 26) assurant le nettoyage par jet de plasma de la pièce et une seconde intensité ( 28), plus faible, qui a pour effet d'améliorer le déplacement du jet de plasma sur une certaine surface de la pièce, d'o il résulte un meilleur nettoyage de la pièce avec un risque moins grand d'endommagement de sa surface. 10 Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'étape de variation cyclique comprend le maintien du rapport cyclique entre les première ( 26) et seconde ( 29) intensités entre environ 15 % et 85 %. 11 Procédé selon la revendication 10, caractérisé 30 en ce que l'étape de maintien du rapport cyclique comprend ce maintien à une valeur d'environ 50 %. 12 Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'étape de variation cyclique comprend une variation cyclique à une fréquence de répétition comprise entre 35 environ 5 et 60 cycles par seconde. 13 Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que la fréquence de répétition est environ 10 cycles par seconde. 14 Procédé selon la revendication 9, caractérisé 5 en ce que l'étape de variation cyclique comprend une variation cyclique à une fréquence de répétition ayant une valeur permettant d'améliorer le déplacement du jet de plasma sur une surface de la pièce. Procédé selon la revendication 9, caractérisé 10 en ce que l'étape de variation cyclique comprend la production d'une forme d'onde des première ( 26) et seconde ( 28) intensités qui est une forme d'onde pulsée sensiblement en courant continu. 16 Procédé selon la revendication 9, caractérisé 15 en ce que l'étape de variation cyclique, comprend l'application de la première intensité ( 26) pour le nettoyage de zones sélectionnées de la pièce, d'o il résulte une amélioration de la possibilité de contrôle de la position du jet de plasma dans ces zones.