Brevet FR2575763A1 — publié le 19860711

257S763 L'invention a pour objet un procédé de durcissement en surface de métaux par formation de carbure et les métaux ayant des surfaces ainsi durcies. Certains métaux, tel que le titane et ses alliages ont une résistance élevée par unité de poids mais sont néanmoins d'un emploi limité à cause de leur taux d'usure important lorsqu'ils sont soumis au frottement ou à la corrosion. On a tenté de résoudre ce problème principalement en prévoyant de recouvrir la surface métallique par un revêtement résistant à l'usure ou de déposer des particules résistant à l'usure à la surface localement fondue du métal. Dans le premier cas, on pulvérise sur la surface métallique, au moyen d'un pistolet à flammes ou à plasma, un matériau-matrice tel qu'un alliage à base de cobalt ou de nickel et des particules résistant à l'usure telles que carbure de tungstène, carbure de chrome ou carbure de titane. Dans le second cas, des particules résistant à l'usure, par exemple de carbure de titane, sont injectées dans une zone d'une surface métallique fondue par faisceau laser. Un procédé semblable est décrit dans le brevet américain n 4 299 860. Dans les deux procédés de fabrication de revêtements résistant à usure connus, il y a un risque que les particules résistant à l'usure ne soient pas distribuées de façon régulière dans le matériau-matrice qui les retient. Si les particules résistant à l'usure ne sont pas réparties régulièrement à la surface, Il existe une probabilité pour qu'une usure accélérée se produise dans les régions qui comportent moins de particules. L'objet de la présente invention est une méthode de durcissement d'une surface 2 0 métallique qui soit moins sujette à engendrer des zones de faiblesse que les procédés de l'art antérieur décrit cl-dessus. Selon la présente invention, un procédé de durcissement en surface d'un métal consiste à faire fondre localement la surface métallique au moyen d'un faisceau de radiation à haute énergie dans une atmosphère inerte ou dans le vide, en présence de carbone naturel, pendant un temps suffisant pour que ledit métal et le carbone réagissent et produisent un carbure, lequel, lors de la resolidification ultérieure, définit une structure de carbure dendritique dans ledit métal contigu à la surface. L'invention va maintenant être décrite au moyen d'exemples en référence aux dessins annexés sur lesquels: 3 0 la figure 1 est une vue de côté d'un appareil adapté à la mise en oeuvre du procédé selon la présente invention; la figure 2 est une vue de côté d'une autre forme d'appareil adapté à la mise en oeuvre du procédé selon la présente invention; et 2. les figures 3 à 10 sont des graphiques représentant des caractéristiques physiques variées d'une surface métallique durcie conformément au procédé selon la présente invention. La figure 1 représente une plate-forme translatable O placée dans une atmosphère d'argon et supportant une pièce à travailler 11 en titane dont la surface doit être durcie conformément à la méthode selon la présente Invention, sous un faisceau 12 d'une radiation cohérente provenant d'un laser (non représenté). Le faisceau laser est disposé normalement à la pièce à travailler 11 de titane, et a une énergie suffisante pour provoquer la fusion superficielle de la zone de la pièce à travailler 1 1 de titane avec laquelle il entre en contact. Il va de soi cependant que le faisceau laser 12 pourrait être incliné si on le désirait. 1 0 Avant de diriger le faisceau laser 12 sur la pièce à travailler 1 1 de titane, on recouvre sa surface d'une dispersion colloïdale de graphite 13 par brossage, bien que l'on puisse utiliser le graphite sous d'autres formes, par exemple sous forme de paillettes, si cela est souhaitable. D'autres méthodes d'application peuvent être cependant utilisées, telles que la pulvérisation. Lorsque le falsceau laser 12 a fait fondre localement la surface de la pièce à travailler 1 1 de titane, le titane fondu dissout le graphite et du carbure de titane résulte de la fusion. La plate-forme 10 est translatée de façon continue dans la direction de la flèche'l 14, de façon que le carbure de titane ainsi formé de même que le titane fondu se solidifient rapidement pour former une structure dendrltique de carbure de titane dans une matrice de titane contiguë à la surface de la pièce à travailler 1 1 de titane. 2 0 Le carbure de titane ainsi formé dote la pièce à travailler 1 1 de titane d'une surface très résistante à l'usure, laquelle, eu égard à sa structure dendritique, est répartie régulièrement à la surface de la pièce à travailler 1 1. Dans un eutre procédé de formation d'une structure do carbure de titane dendrltique très résistante à l'usure à la surface d'une pièce à travailler de titane, la pièce à travailler 1i 5-de titane est disposée sur une plate-forme translatable 10 sous un faisceau laser 12 d'incidence normale, comme il a été décrit plus haut. Cependant, la surface de la plaque de titane 15 n'est pas recouverte d'une dispersion de graphite. Le carbone utilisé pour réagir avec le titane fondu est contenu dans une trémie 16 qui est disposée au-dessus de la couche 15, comme on peut le voir sur la figure 2. Un dispositif de dosage 17, situé sous la trémie 16, dose un flux constant de particules de carbone dans un conduit incliné 18 dans lequel circule un flux d'argon ou d'un autre gaz inerte dans la direction indiquée par la flèche 19. Le conduit 18 est positionné par rapport au faisceau laser 12 de façon qu'il dirige les particules de carbone et l'argon vers la zone de contact du faisceau laser 12 à la surface de la pièce à travailler 15, et ainsi, vers le titane localement fondu par le faisceau 12. Le titane fondu dissout le carbone 3 5 et, de cette fusion, 11 résulte du carbure de titane, lequel, grâce à la translation de la plate- forme dans la direction Indiquée par la flèche 20 et la resolidification ultérieure du titane, forme une structure dendritique dans une matrice de titane contiguë à la surface de la pièce à travailler 15. Comme l'argon provenant du conduit 18 nettoie la zone de réaction de titane 2S75?63 3. fondu, il n'est pas nécessaire de placer l'appareil entier sous atmosphère d'argon* bien qu'une telle disposition soit cependant souhaitable usuellement pour éviter l'oxydation. On a fait subir des séries de tests à des plaques de titane ou d'alliage de titane, dont la surface avait été durcie conformément au procédé décrit en regard de la figure 1. Les tests ont été effectués avec un laser 2 KW CW C02 fonctionnant entre environ 1,2 et 1,8 kW. Les temps d'interaction, c'est-à-dire les temps de l'interaction entre le faisceau laser et la plaque de titane, étaient commandés par la variation du diamètre du faisceau laser de 0,4 à 3 mm. La vitesse de translation de la plate-forme variait de 7 à 50 mm/s. Les surfaces des plaques de titane utilisées étaient sablées de façon à fournir une finition standard. 1 0 Deux métaux différents étalent utilisés dans la préparation de la plaque 1 1. Il y avait du titane chimiquement pur et un alliage de titane contenant 6 % en poids d'aluminium et 4 % en poids de vanadium. Les plaques étaient recouvertes par brossage d'une dispersion colloïdale de graphite dans du méthanol. Plusieurs traitements au laser successifs (jusqu'à 16) étaient appliqués à chaque plaque, une nouvelle application de dispersion de graphite colloïdale étant i 5 appliquée entre chaque traitement. Des observations portant sur la microstructure des couches traitées ont été faites au moyen de microscopes optiques et de microscopes électroniques à balayage et des mesures de microdureté ont été faites (utilisant une charge de 100 g), principalement sur les sections transversales. Si l'on se reporte aux résultats des test, la figure 3 représente les variations de profondeur et de largeur de la zone traitée d'une plaque de titane chimiquement pure, se déplaçant à 20 mm/s et placée sous un faisceau laser d'une puissance de 1,72 kW et d'un diamètre de 3 mm. Le traitement a été répété seize fois, une application de graphites colloïdale étant faite avant chaque traitement. La figure 3 montre qu'une zone fondue d'une profondeur d'environ 0,4 mm et d'une largeur d'environ 2,1 mm reste effectivement constante jusqu'au seizième traitement. La figure 4 montre que les dimensions de la zone fondue en fonction de la vitesse de translation pour un traitement unique ont tendance à décroître en profondeur et en largeur avec l'augmentation de la vitesse de translation. Les résultats correspondant à une plaque faite d'un alliage de titane sont représentés sur les figures 5 et 6. Ils sont obtenus avec un faisceau laser 12 plus étroit ( 1,5 mm de diamètre), une vitesse de translation de 20 mm/s et deux niveaux de puissance pour le laser ( 1,2 kW pour la figure 5 et 1,8 kW pour la figure 6). Il ne semble pas évident que la profondeur et la largeur aient tendance à augmenter avec l'augmentation de la puissance. Cependant, il se produit un effet inattendu en ce que la profondeur et la largeur de la zone augmentent progressivement avec la répétition du traitement. Dans les conditions de ces expériences et que ce soit avec le titane chimiquement pur ou avec l'alliage de titane, on n'a pas observé de fissurage. L'examen de la diffraction des rayons-X dans tous les échantillons a révélé la présence de carbure de titane dans les zones fondues. Les paramètres du réseau de carbure étalent les 4. suivants: dans les conditions de traitements répétés (dénommés à teneur en carbone élevée), et dans les conditions d'un traitement unique (dénommé à faible teneur en carbone), pour une plaque de titane chimiquement pur 11: 4 329A (haute teneur en carbone); pour une plaque 1 1 d'alliage de titane: 4 305 A (haute teneur en carbone); 4 318 A (faible teneur en carbone). Le niveau de dureté des zones fondues (figures 7 et 8 pour le titane chimiquement pur et figures 9 et 10 pour l'alliage de titane) augmente avec la quantité de carbone contenue, laquelle augmente elle-même avec la répétition du traitement, la dureté maximale étant d'environ 650 HV après seize traitements appliqués à un échantillon de titane chimiquement o pur. La figure 8 représente la diminution de dureté résultant de l'augmentation de la vitesse de translation. Un examen microscopique des échantillons a montré que, dans les échantillons ayant été soumis à un traitement unique, il y avait des particules de carbure présentes sous la forme de structures ramifiées ou pailletées, quelques unes (rd'entre elles formant un réseau. Des 1 5 échantillons exposés à huit traitements successifs contenaient un taux de carbure plus important et avaient une structure dendritique. Les dendrites de carbure étaient plus grossières à proximité du sommet qu'à proximité de la base des zones fondues. Dans une zone fondue superficielle à haute teneur en carbone, il y avait une région supérieure dans laquelle les dendrites de carbure s'étendaient vers le bas à partir de la surface fondue. Dans une zone profonde, quelques particules de carbure ayant jusqu'à 100 microns de diamètre étaient réparties de façon hétérogène an plus des particules dendritiques. Il en résulte que le procédé selon la présente invention est un procédé de durcissement en surface du titane qui, comme 11 favorise une formation de carbure de titane dendrltique contiguë à la surface du titane, a pour effet une répartition plus régulière de la dureté en surface que celle qui était obtenue 2 5 auparavant au moyen de l'injection de particules de carbure dans une surface en fusion. Bien que la présente invention ait été décrite à propos du durcissement an surface de titane et d'allage de titane au moyen d'un rayon laser, 11 n'est pas limité à ces métaux. D'une façon générale, le procédé est applicable à des métaux qui engendrent très facilement des carbures, et le faisceauutilisé pour faire fondre la-surface du métal doit-être un faisceau de 3 0 radiation à haute énergie de façon à pouvoir provoquer la fusion rapide de la surface. Alnsi, le rayon laser pourrait, par exemple, être remplacé par un faisceau d'électrons, auquel cas l'atmosphère Inerte serait remplacée par du vide. 2 575763 REVENDICATIONS 1. Procédé de durcissement en surface d'une surface métallique consistant à faire fondre localement la surface métallique au moyen d'un faisceau de radiation à haute énergie dans une atmosphère inerte ou dans le vide, caractérisé en ce que ladite surface est fondue localement en présence de carbone naturel pendent une durée suffisante pour que ledit métal ( 1) et ledit carbone (13) réagissent et produisent un carbure qui, lors de la resolidification, définissent une structure de carbure dendritique à l'intérieur dudit métal contiguë à la surface. 2. Procédé de durcissement en surface d'une surface métallique selon la revendication 1 0 1, caractérisé en ce que ladite fusion locale et ladite resolidification de ladite surface métallique (11) en présence de carbone naturel (13) pour produire une structure de carbure dendritique sont effectuées plus d'une fois sur chaque partie de ladite surface métallique ( 1 1) nécessitant un durcissement en surface. 3. Procédé de durcissement en surface d'une surface métallique selon la revendication 1, 1 5 caractérisé en ce que ledit faisceau (12) de radiation à haute énergie est constitué par un rayon laser. 4. Procédé de durcissment en surface d'une surface métallique selon la revendication 3, caractérisé en que ledit faisceau laser (12) est engendré par un laser ayant une puissance de sortie pouvant atteindre 2kW. 2 0 5. Procédé de durcissement en surface d'une surface métallique selon la revendication 4, caractérisé en que ledit faisceau laser (12) à un diamètre compris entre 0,4 et 3mm à son point de contact sur ladite surface métallique. 6. Procédé de durcissement en surface d'une surface métallique selon une des revendications précédentes, caractérisé an ce que ledit faisceau (12) et ladite surface 2 5 métallique ( 1 1) se déplacent l'un par rapport à l'autre de façon que les régions contiguës de ladite surface métallique ( I 1) soient successivement fondues en présence dudit carbone naturel ( 13) et se resolidifient ultérieurement 7. Procédé de durcissement en surface d'une surface métallique selon la revendication 6, caractérisé an ce que ledit mouvement relatif est effectué à une vitesse comprise entre 7 et 3 0 50 mm/s. 8. Procédé de durcissement en surface d'une surface métallique selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit carbone naturel (13) est réparti sensiblement régulièrement à la surface dudit métal sous la forme de particules de carbone avant la fusion locale de ladite surface métallique. 9. Procédé de durcissement en surface crune surface métallique selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit carbone ( 11) est sous la forme de graphite colloidal. 10. Procédé de durcissement en surface d'une surface métallique selon une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit carbone naturel (13) est dirigé vers le métal on fusion ( 11) par ledit faisceau à haute énergie. 11. Procédé de durcissement en surface cd'une surface métallique selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit métal ( 11) est du titane ou un alliage de titmane.