Brevet FR2556123A1 — publié le 19850607

Procédé pour réaliser un passage électrique étanche à travers une paroi La présente invention concerne un procédé pour réaliser un passage électrique étanche à travers une paroi, ce procédé étant du type dans lequel on fixe une pièce métallique d'alimentation électrique sur une pièce céramique, de manière qu'un axe de la pièce métallique d'alimentation traverse une percée de la pièce céramique. Pour transmettre un courant électrique d'un côté à l'autre d'une paroi, il est souvent utile d'utiliser une pièce métallique d'alimentation électrique, qui peut être par exemple une tige métallique, cette tige étant entourée par une pièce céramique tubulaire pour assurer l'isolement électrique. Dans certains cas, il est nécessaire que le passage électrique soit absolument étanche à un fluide tel qu'un gaz sous pression. I1 est donc nécessaire d'assurer ltétanchéité entre la pièce métallique d'alimentation et la pièce céramique. Un procédé connu pour fixer de façon étanche une pièce métallique d'alimentation électrique sur une pièce céramique consiste à effectuer successivement les opérations suivantes, - dépôt sur la pièce céramique d'une couche métallique d'un alliage de molybdène et le manganèse, - frittage de la couche métallique par un traitement thermique en atmosphère réductrice, - dépôt d'un film de nickel électrolytique sur la couche métallique, ce dépôt étant suivi d'un autre traitement thermique, - puis brasage à l'argent d'une collerette métallique intermédiaire d'un côté sur la pièce métallique d'alimentation et de l'autre côté sur le film de nickel. Ce procédé connu comporte des inconvénients. I1 est compliqué : le brasage de la collerette exige un montage spécial. D'autre part, il est très onéreux car il utilise des matériaux chers et nécessite un temps important de main d'oeuvre spécialisée. La présente invention a pour but de pallier ces inconvénients. Elle a pour objet un procédé pour réaliser un passage électrique étanche à travers une paroi, du type spécifié plus haut, caractérisé en ce que la pièce métallique d'alimentation est fixée sur la pièce cérami- que par un pressage à chaud de la pièce céramique sur un substrat métal lique, ce pressage étant exercé contre la pièce métallique d'alimentation, le pressage à chaud étant suivi d'un refroidissement à la température ambiante, le matériau du substrat étant suffisamment mou pour absorber au cours du refroidissement les contraintes provoquées par les différences de dilatation entre la céramique et le matériau de ladite pièce métallique d'alimentation. Des modes particuliers de mise en oeuvre du procédé selon la présente invention sont décrits ci-dessous, à titre d'exemple, en référence au dessin annexé, dans lequel les figures 1 et 2 représentent respectivement, en coupe longitudinale, la disposition des éléments de deux passages électriques étanches juste avant une opération de pressage à chaud du procédé selon l'invention. Sur la figure 1, est représentée une pièce métallique d'alimentation éctrique constituée par une tige 1 cylindrique autour d'un axe vertical 2, cette tige étant formée d'un alliage fer-nickel. Autour de la tige 1, est placée une pièce céramique 3 de forme générale cylindrique autour de l'axe 2. La pièce 3 est constituée d'alumine et comporte une percée axiale à travers laquelle passe la tige 1. La pièce 3 présente dans sa partie supérieure une surface conique 4 de révolution autour de l'axe 2, de façon à ménager, entre la surface 4 et la surface cylindrique de la tige 1, un volume dont la section droite croit de bas en haut. Dans la partie supérieure de ce volume est disposé un joint métallique constitué par une rondelle d'aluminium 5 dont la surface latérale a aussi une forme conique épousant celle de la surface 4.La surface cylindrique extérieure de la pièce céramique 3 comprend une partie supérieure, et une partie inférieure de diamètre plus faible que celui de la partie supérieure ; ces deux parties sont reliées par une surface annulaire 6 située dans un plan perpendiculaire à l'axe 2. Parallèlement à la surface 6 est disposée un bord annulaire plan 7 d'une pièce métallique de raccordement 8, en alliage fer-nickel, cette pièce ayant, en dehors du bord 7, la forme générale d'un manchon cylindrique autour de l'axe 2. La partie inférieure de la surface cylindrique extérieure de la pièce 3 passe à travers l'ouverture axiale du bord 7. Entre la surface 6 et le bord 7 est disposé un autre joint métallique constitué par une rondelle 9 en aluminium. On place, de préférence, l'ensemble représenté sur la figure 1 dans une enceinte sous vide ou sous atmosphère neutre, la tige 1 étant maintenue axialement pour l'empêcheur de glisser par gravité le long de la percée axiale de la pièce céramique 3. On chauffe l'ensemble à une température voisine mais inférieure au point de fusion de l'aluminium. On sait par ailleurs que le point de fusion de l'aluminium est inférieur à celui de l'alliage fer-nickel constituant les pièces 1 et 8. Simultanément, on exerce une pression parallèlement à l'axe 2 sur la rondelle 5 et sur le bord annulaire 7 de la pièce 8, dans les sens respectifs opposés indiqués par les flèches 10 et 11.La pression exercée sur la rondelle 5 vers -le sommet du cône portant la surface conique 4, provoque un pressage de la pièce céramique 3 sur la rondelle 5 contre la tige 1, par enfoncement de la rondelle dans le volume compris entre la surface 4 et la surface cylindrique de la tige 1. Puis on laisse refroidir l'ensemble à la température ambiante. On ne constate aucune rupture au cours du refroidissement, car l'aluminium constituant les rondelles 5 et 9 est suffisamment mou pour absorber les contraintes provoquées par les différences de dilatation entre la pièce céramique 3 et les pièces métalliques 1 et 8. Les pièces métalliques 1 et 8 sont fixées solidement de façon étanche sur la pièce céramique 3. Il suffit alors de fixer, par exemple par soudage ou par brasage les bords extérieurs de la pièce de raccordement 8 sur une ouverture d'une paroi : on obtient alors un passage électrique étanche capable de conduire le long de la tige 1 un courant électrique sous tension, d'un côté à l'autre de la paroi. A titre d'exemple, après dégraissage des pièces 1, 3, 5 et 8, on monte l'ensemble montré sur la figure 1 dans une enceinte sous un vide de 10 6 torr environ. L'ensemble est ensuite chauffé à 600 degrés C et on applique une pression de 150 kg/cm sur la rondelle 5 et le bord 7 de la pièce 8 dans le sens des flèches 10 et il pendant trente minutes environ. On obtient un passage électrique étanche au vide secondaire et aux fluides sous pression, le taux de fuite à l'hélium étant inférieur à 10'10 cm3 par seconde, pour une pression de un bar. Ce passage électrique étanche peut être appliqué notamment à l'alimentation électrique de tubes sous vide, de canons à électrons ou de moteurs électriques et de pompes fonctionnant dans une enceinte étanche remplie d'un fluide sous pression. Dans exemple décrit ci-dessus en référence à la figure 1, les deux pressages à chaud assurant respectivement la fixation des pièces métalliques 1 et 8 sur la pièce céramique 3 sont effectués simultanément. Mais il est possible, et, dans certains cas, il peut être même souhaitable, d'effectuer aussi ces deux pressages à chaud l'un après l'autre. Dans l'exemple décrit ci-dessus, on fixe deux pièces métalliques 1 et 8 sur la pièce céramique 3. Mais lorsque la paroi à travers laquelle on se propose de réaliser un passage électrique est elle meme en céramique, dans le cas par exemple où cette paroi est un bottier d'un thyristor et où le passage électrique est celui de la "gâchette" de commande du thyristor, il est clair que le procédé ne comprend alors qu'un seul pressage à chaud destiné à fixer une pièce métallique analogue à la tige 1 sur la paroi de céramique dans laquelle est ménagée une ouverture munie d'une surface conique analogue à la surface 4. Il est à noter également qu'il n'est pas absolument nécessaire que la surface extérieure de la rondelle 5 soit conique. On peut utiliser également des rondelles cylindriques, l'aluminium constituant cette rondelle étant suffisamment mou à la température de pressage pour entraîner une déformation de la rondelle qui tend à appliquer sa surface extérieure cylindrique sur la surface conique 4 de la pièce céramique 3. Sur la figure 2, est représentée une pièce métallique d'alimentation électrique constituée par un tube 12 en acier inoxydable, fixé sur une extrémité d'une pièce métallique tubulaire 13 en acier inoxydable, les pièces 12 et 13 étant coaxiales autour d'un axe vertical 14. Le bord inférieur 15 de la pièce 13 est replié pour former une surface annulaire dans un plan perpendiculaire à l'axe 14. Une pièce céramique 16 en alumine ayant la forme d'un tube cylindrique de révolution est disposée suivant l'axe 14 au dessous de la pièce 13, de manière que le bord 15 soit disposé parallèlement et à faible distance de la face plane supérieure de la pièce 16. Entre cette face plane et le bord 15 est placée une rondelle en aluminium 17. Sous la pièce 16, est disposée suivant l'axe 14 une pièce métallique de raccordement 18 en acier inoxydable. Cette pièce 18, de forme générale tubulaire, comporte un bord supérieur 19 replié pour former une surface plane annulaire disposée, dans un plan perpendiculaire à l'axe 14, parallèlement et à faible distance de la face plane inférieure de la pièce céramique 16. Une rondelle 20 en aluminium est disposée entre le bord 19 et la face plane inférieure de la pièce céramique 16. On place de préférence l'ensemble représenté sur la figure 1 dans une enceinte sous vide ou sous atmosphère neutre. On chauffe l'ensemble à une température voisine mais inférieure au point de fusion de l'aluminium. On sait par ailleurs que le point de fusion de l'aluminium est inférieur à celui de l'acier inoxydable constituant les pièces 12, 13 et 18. Simultanément, on exerce une pression parallèlement à l'axe 14 sur le bord 15 de la pièce 13 et sur le bord 19 de la pièce 18, dans les sens respectifs opposés indiqués par les flèches 21 et 22. Puis on laisse refroidir l'ensemble à la température ambiante.- On ne constate aucune rupture au cours du refroidissement, car l'aluminium des rondelles 17 et 20 est suffisamment mou pour absorber les contraintes provoquées par les différences de dilatation entre la pièce céramique 16 et les pièces métalliques 13 et 18.Les pièces 13 et 18 sont fixées solidement et de façon étanche sur la pièce céramique 16. On fait passer alors un câble gainé d'alimentation électrique provenant d'une enceinte, à travers une ouverture de la paroi de cette enceinte, puis successivement à travers les percées axiales de la pièce de raccordement 18, de la pièce céramique 16, et les éléments 13 et 12 de la pièce métallique d'alimentation électrique. On soude ensuite l'extrémité de ce câble à l'intérieur du tube 12 de façon à en obturer hermétiquement l'ouverture axiale. On soude ensuite les bords de la pièce de raccordement 18 sur l'ouverture de la paroi. On obtient ainsi le long de ce câble un passage électrique étanche capable de conduire un courant électrique sous tension, d'un côté à l'autre de la paroi. A titre d'exemple, après dégraissage des pièces 12, 13, 16, 17, 18 et 20, on dispose l'ensemble montré sur la figure 2 dans une enceinte sous un vide de 10'6 torr environ. L'ensemble est ensuite chauffé 2 à 6000C et on applique une pression de 150 kg/cm2 sur le bord 15 de la pièce 13 et sur le bord 19 de la pièce 18, dans le sens des flèches 21 et 22, pendant trente minutes environ. On obtient un passage électrique étanche au vide secondaire et aux fluides sous pression, le taux de fuite à l'hélium étant inférieur à 10 cm3 par seconde, -pour une pression de un bar. Le passage électrique étanche illustré par la figure 2 peut être appliqué notamment à l'alimentation électrique d'un four sous atmosphère neutre. Dans le procédé illustré par la figure 2, il est possible d'effectuer le pressage à chaud sans utiliser de rondelles intermédiaires entre les pièces métalliques et la pièce céramique. Dans ce cas, les pièces métalliques sont en cuivre par exemple et ce sont les bords des pièces métalliques en contact avec la pièce céramique qui constituent le substrat métallique assurant la liaison entre la pièce céramique et les pièces métalliques. De plus, le chauffage qui intervient en même temps que l'opération de pressage est de préférence localisé vers les zones de liaison céramique-métal Les pièces métalliques d'alimentation électrique peuvent être réalisées par exemple en cuivre, en acier inoxydable, en alliage fernickel, en aluminium et en alliages d'aluminium. Les joints en forme de rondelle peuvent être réalisés en aluminium ou en cuivre. Les pièces céramiques sont de préférence réalisées en alumine ou en une céramique comportant une forte proportion d'alumine. REVENDICATIONS 1/ Procédé pour réaliser un passage électrique étanche à travers une paroi, ce procédé comprenant la fixation d'une pièce métallique d'alimentation électrique sur une pièce céramique, de manière qu'un axe de la pièce métallique d'alimentation traverse une percée de la pièce céramique, caractérisé en ce que la pièce métallique d'alimentation (1, 1213) est fixée sur la pièce céramique (3, 16) par un pressage à chaud de la pièce céramique sur un substrat métallique (5, 17), ce pressage étant exercé contre la pièce métallique d'alimentation, le pressage à chaud étant suivi d'un refroidissement à la température ambiante, le matériau du substrat (5, 17) étant suffisamment mou pour absorber, au cours du refroidissement, les contraintes provoquées par les'différences de dilatation entre la céramique et le matériau de ladite pièce métallique d'alimentation (1). 2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite paroi comporte ladite pièce céramique. 3/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, la pièce métallique d'alimentation (1) étant fixée sur la pièce céramique (3) par un premier pressage à chaud d'une première portion (4) de la surface de la pièce céramique sur un premier substrat métallique (5), le procédé comporte en outre - la fixation d'une pièce métallique de raccordement (8) sur la pièce céramique, cette fixation s'effectuant par un deuxième pressage à chaud d'une deuxième portion (6) de la surface de la pièce céramique (3) sur un deuxième substrat métallique (9), ce deuxième pressage étant exercé contre la pièce métallique de raccordement, le deuxième pressage étant suivi d'un refroidissement, le matériau du deuxième substrat métallique (9) étant suffisamment mou pour absorber, au cours de ce refroidissement, les contraintes provoquées par les différences de dilatation entre la céramique et le matériau de la pièce métallique de raccordement (8), la pièce métallique de raccordement étant ensuite fixée sur une ouverture de ladite paroi. 4/ Procédé selon la-revendication 1, caractérisé en ce que le substrat est constitué par un bord de la pièce métallique d'alimentation élec trique. 5/ Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que les premier et deuxième substrats sont constitués respectivement par un premier et un deuxième joints métalliques (5, 9), le premier joint (5) étant disposé entre la pièce céramique (3) et la pièce métallique d'alimentation (1), le deuxième joint (9) étant disposé entre la pièce céramique (3) et la pièce métallique de raccordement C8), chaque joint étant constitué par un matériau présentant une température de fusion inférieure à celle de la pièce métallique à fixer, la liaison de chaque joint à cette pièce métallique étant réalisée au cours de la même opération de pressage à chaud que celle assurant la liaison du joint à la pièce céramique. 6/ Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que, la pièce métallique d'alimentation électrique (1) étant-cylindrique, la première portion (4) de la surface de la pièce céramique (3) est conique autour dudit axe (2), et que le premier pressage à chaud est provoqué par une pression dudit premier substrat (5) entre ladite surface conique (4) et la surface cylindrique de la pièce métallique d'alimentation (1), cette pression dudit premier substrat s'exerçant dans une direction parallèle audit axe (2) vers le sommet du cône sur lequel est disposé ladite surface conique (il). 7/ Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le premier substrat (5) comporte une surface conique appliquée contre celle (4) de la pièce céramique (3). 8/ Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que les premier et second pressages à chaud s'effectuent simultanément. 9/ Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que, la pièce céramique (16) comportant une première et une seconde surfaces planes perpendiculaires audit axe (14), les pièces métalliques d'alimentation (13) et de raccordement (18) comportent respectivement un premier et un deuxième bords annulaires (15, 19), -ces bords étant disposés dans des plans perpendiculaires audit axe (14), le premier joint (17) étant disposé entre le premier bord (15) et la première surface plane, le deuxième joint (20) étant disposé entre le deuxième bord (19) et la deuxième surface plane. 10/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce céramique (3, 16) est en alumine. 11/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau de la pièce métallique d'alimentation électrique (1, 12-13) est choisi dans le groupe formé par le cuivre, l'acier inoxydable, les alliages fernickel, l'aluminium et les alliages d'aluminium. 12/ Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le matériau de la pièce métallique de raccordement (8, 18), est choisi dans le groupe formé par le cuivre, l'acier inoxydable, les alliages fer-nickel, l'aluminium et les alliages d'aluminium. 13/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau dudit substrat (5, 17) est choisi dans le groupe formé par l'aluminium et le cuivre. 14/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le pressage à chaud est effectué sous vide. 15/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le pressage à chaud est effectué sous atmosphère neutre.