Brevet FR2630752A1 — publié le 19891103

La présente invention concerne un procédé de pulvérisation à la flamme de matériaux en poudre pour produire des couches superficielles sur des substrats au moyen d'un appareil de pulvérisation à la flamme autogène, dans lequel on forme un mélange de gaz combustible et de gaz oxydant, et on allume ce mélange à sa sortie d'une buse de brûleur, appareil dans lequel on amène, au moyen d'un gaz porteur, le matériau de pulvérisation en poudre à cette buse de brûleur pour l'introduire dans la flamme de l'appareil de pulvérisation, à sa sortie de la buse. Des procédés de ce genre sont connus depuis longtemps et ils ont été étudiés en détail, en particulier dans des cas d'application spécifiques. On a, en particulier, proposé des mesures visant à l'obtention d'une caractéristique de flamme spéciale et, ainsi, à l'obtention d'une amélioration des conditions de la formation et de la qualité de la couche réalisée sur un substrat. Toutefois, de tels procédés et les appareils correspondants sont restés très limités dans leurs possibilités d'utilisation et dans leurs résultats. Un but de l'invention consiste dans l'obtention d'un procédé du genre mentionné ci-dessus, permettant de réaliser, pour l'ensemble du domaine potentiel de mise en oeuvre de la pulvérisation à la flamme, c'est-à-dire pour des vitesses de flamme comprises entre -environ 90 et 300 m/s, des conditions d'application optimales et, ainsi, les meilleurs résultats d'application, ce procédé pouvant en outre être mis en oeuvre de manière remarquablement économique, grâce à la diminution et à la simplification de l'appareillage à utiliser. A cet effet, le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que l'on choisit le domaine de fonctionnement de l'appareil de pulvérisation à la flamme utilisé de façon telle que la constante d'énergie PE des particules du matériau de pulvérisation, qui est donnée par le rapport du pourcentage de l'énergie cinétique Ek des particules à leur énergie totale, lors de l'impact des particules sur la surface du substrat, à la vitesse de la flamme F, mesurée en m/s, soit 'comprise entre 0,1 et 0,2 s/m, la vitesse de sortie des particules de matériau de pulvérisation hors de la buse du brûleur, lorsque la flamme est allumée, étant inférieure à 30 m/s, et en ce que l'on choisit la taille des particules du matériau de pulvérisation, en fonction de la vitesse de la flamme, à l'intérieur d'un domaine qui se rétrécit de manière continue, compris entre 150 et 37 um pour Fv = 90 m/s, et 63 et 5 "m pour Fv = 300 m/s. Conformément à une première forme de mise en oeuvre du procédé, on confère à la flamme une vitesse plus élevée par rapport à la vitesse d'allumage du mélange de gaz combustible et gaz oxydant, au moyen d'un dispositif d'accélération monté sur l'appareil de pulvérisation à la flamme. Avantageusement, la constante d'énergie PE a une valeur comprise entre 0,15 et 0,18 s/m. La vitesse de sortie des particules de matériau de pulvérisation de la buse du brûleur, la flamme étant allumée, peut être inférieure à 10 m/s. Toutefois, dans le cas o l'on confère à la flamme une augmentation de vitesse par rapport à la vitesse d'allumage du mélange de gaz combustible et de gaz d'oxydation, au moyen d'un dispositif d'accélération monté sur l'appareil de pulvérisation à la flamme, la vitesse de sortie des particules de matériau dç pulvérisation au niveau de la buse du brûleur, lorsque la flamme est allumée, peut être supérieure à 15 m/s. Avantageusement, la quantité de gaz combustible introduite est comprise entre 500 et 3000 l/h, rapporté aux conditions normales de température et de pression (c'est-à-dire 20 C et 1 atmosphère). L'invention a également comme objet un appareil de pulvéri- sation à la flamme qui est particulièrement approprié à la mise en oeuvre du procédé qui vient d'être mentionné. Cet appareil est caractérisé en ce que le mélange de gaz combustible et gaz oxydant est produit au moyen d'un ou plusieurs injecteurs qui sont disposés dans le corps de l'appareil de pulvérisation à la flamme, ou dans une pièce de support de buse montée, de manière à être interchangeable, entre le corps de l'appareil de pulvérisation à la flamme et sa buse de brûleur, ou encore dans une buse de brûleur interchangeable. Conformément à une forme d'exécution particulièrement avantageuse de cet appareil, les pièces de support de buse ou les buses de brûleur interchangeables présentent des injecteurs qui correspondent respectivement à des puissances de flamme différentes, de sorte que le choix de ces pièces permet d'adapter la puissance de la flamme au cas d'application désiré. Avantageusement, l'appareil de pulvérisation à la flamme comprend un dispositif d'accélération additionnel, comportant une chambre de combustion ainsi qu'une partie d'accélération essentiellement tubulaire, monté en aval de la buse de brûleur. Conformément à un forme d'exécution particulière, la partie d'accélération présente le même diamètre intérieur à l'endroit d'entrée et à l'endroit de sortie de la flamme. Conformément à une autre forme d'exécution, la partie d'accélération a une forme intérieure conique et présente un plus grand diamètre à l'endroit de sortie de la flamme qu'à l'endroit d'entrée de celle-ci. Selon encore une autre forme d'exécution, la partie d'accélération est agencée en gradin et elle a un diamètre intérieur plus petit du côté d'entrée de la flamme que du côté de sortie de la flamme. Selon une autre forme d'exécution, la partie d'accélération est agencée en gradin et a un diamètre intérieur plus grand du côte d'entrée de la flamme que du côté de sortie de la flamme. L'appareil de pulvérisation à la flamme peut éventuellement présenter un dispositif pour introduire un courant de gaz supplémentaire dans le dispositif d'accélération additionnel, afin de produire une striction de la flamme. Conformément à une forme d'exécution particulière, la partie d'accélération et/ou la chambre de combustion du dispositif d'accélération additionnel présentent un ou plusieurs orifices d'entrée latéraux pour le gaz de striction. Avantageusement, les orifices d'entrée pour le gaz de striction débouchent à la hauteur du gradin dans la pièce d'accélération. Comme gaz de striction, on peut utiliser tout gaz approprié, l'air comprimé, l'azote ou un gaz rare étant particulièrement avantageux. L'appareil de pulvérisation à la flamme peut avantageusement présenter un dispositif de fixation qui permet de fixer, et d'échanger à volonté, un dispositif d'accélération additionnel sur l'appareil pour différentes dimensions de la buse de brûleur, ou bien une pièce de support pour la buse de brûleur et qui autorise différentes dimensions du dispositif d'accélération additionnel. Avantageusement, le dispositif de fixation présente des anneaux intermédiaires pour l'adaptation du diamètre extérieur de la buse de brûleur, ou de la partie de support correspondante, au diamètre intérieur de la chambre de combustion du dispositif d'accélération additionnel. Conformément à une forme d'exécution particulière, le dispositif de fixation peut être agencé sous forme d'un dispositif de serrage. Selon une autre forme d'exécution, le dispositif de fixation est agencé de manière à permettre de rabattre le dispositif d'accélération additionnel par pivotement autour d'une charnière. Ces aspects de l'invention ainsi que d'autres caractéristiques, propriétés et avantages de celle-ci ressortiront de la description suivante qui se réfère aux dessins annexés dans lesquels: la Fig. 1 représente le domaine de travail conforme à l'invention en fonction de l'énergie cinétique des particules et de la vitesse de la flamme; la Fig. 2 représente la granulométrie à choisir en fonction de la vitesse de la flamme; et les Figures 3 à 11 représentent différentes formes d'exécution d'une partie de l'appareil de pulvérisation à la flamme selon l'invention. Des études préliminaires théoriques et pratiques très étendues ont conduit, de manière surprenante, à la constatation qui a servi de base à l'invention, à savoir que, pour obtenir des conditions d'application optimales de la couche à produire, le rapport de l'énergie cinétique des particules du matériau de pulvérisation à leur énergie totale, doit être compris dans un domaine très étroit en fonction de la vitesse de la flamme. Ce rapport, exprimé en pourcentage de l'énergie cinétique Ek à l'énergie totale des particules lors de l'impact sur le substrat, doit être essentiellement proportionnel à la vitesse de la flamme Fv, mesurée à la sortie de la buse du brûleur et, plus particulièrement, le facteur de proportionalité, qui est ici désigné par le terme de constante d'énergie PE' doit être compris dans le domaine de 0,1 à 0,2 s/m. Ceci est représenté sous forme graphique à la Fig. 1, dans laquelle on a indiqué le domaine de pulvérisation à la flamme, c'est-à-dire un domaine de vitesse de flamme allant de m/s, ce qui correspond à la vitesse minimale d'allumage du mélange de gaz oxydant et de gaz combustible, jusqu'à une vitesse de flamme de 300 m/s, cette valeur représentant approximativement la limite supérieure obtenue lors de l'utilisation de moyens de postaccélération de la flamme après sa sortie de la buse du brûleur. L'énergie d'une particule de matériau de pulvérisation avant son impact sur la surface du substrat se compose de son énergie cinétique et de son énergie thermique. La vitesse des particules et la température des particules peuvent être déterminées, par exemple, au moyen d'un appareil de prises de vue à grande vitesse, la température pouvant être déterminée par mesure en infrarouge sur la pellicule d'un tel appareil de prises de vue. Connaissant la masse des particules individuelles du matériau de pulvérisation, on peut en déduire le rapport, indiqué en pourcentage, de l'énergie cinétique à l'énergie totale. La vitesse de la flamme est mesurée par les moyens habituels à sa sortie de la buse du brûleur. La Fig. 1 montre, sous forme d'une zone hachurée, le domaine de fonctionnement obtenu conformément à l'invention, correspondant à des valeurs de constante d'énergie de 0,1 à 0,2 s/m, ainsi que le domaine plus étroit des constantes d'énergie optimalisées entre 0,15 et 0,18 s/m. Les valeurs qui déterminent le domaine représenté- sont rassemblées ci-dessous, sous forme d'un tableau: P E F E PE Fv- v k s/m m/s % 9 0,1 300 30 13,5 0,15 300 45 16,2 0,18 300 54 18 0,2 300 60 La Fig. 2 indique le domaine de granulométrie S à choisir pour les particules du matériau de pulvérisation, également en fonction de la vitesse de la flamme. Ce domaine de granulométrie se rétrécit de manière continue, en partant d'un domaine de 150 à 37 pm pour une vitesse de flamme de m/s, jusqu'à un domaine de 63 à 5 pm pour une vitesse de 300 m/s. Le domaine plus étroit représenté à la Fig. 2 entre deux traits discontinus, pour lequel les dimensions des particules sont comprises entre 125 et 45 um pour une vitesse de flamme de 90 m/s et entre 45 et 20 "m pour une vitesse de flamme de 300 m/s correspond à une optimalisation de ce paramètre. Il est, en outre, important, lors de la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, que la vitesse de sortie des particules de matériau de pulvérisation hors de la buse du brûleur, la flamme étant allumée, soit inférieure à 30 m/s, cette vitesse de sortie étant, de préférence, inférieure à 10 m/s sans post-accélération de la flamme, et de préférence comprise dans le domaine de 15 à 30 m/s dans le cas o l'on utilise des moyens pour obtenir une post-accélération. De préférence, la quantité de gaz combustible introduite est comprise entre 500 et 3000 l/h, rapporté aux conditions normales de température et de pression. Pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, il est particulièrement indiqué d'utiliser un appareil de pulvérisation à la flamme construit sous forme modulaire, c'est-à-dire pouvant être composé à volonté à partir de plusieurs éléments de construction afin de réaliser les conditions de travail décrites dans chaque cas d'utilisation particulier. Ceci permet notamment de mettre à profit, en utilisant un appareillage réduit au strict minimum, l'ensemble du domaine d'emploi du procédé de pulvérisation à la flamme, c'est-à-dire le domaine de vitesse de flamme représenté aux Figures 1 et 2. Une telle construction modulaire de l'appareil de pulvérisation à la flamme implique, notamment, l'interchangeabilité de différentes buses de brûleur et/ou de pièces de support de buse de l'appareil de pulvérisation à la flamme, chacune de ces parties étant avantageusement munie d'injecteurs pour la production du mélange de gaz combustible et de gaz oxydant, l'agencement et les dimensions de ces injecteurs correspondant à une puissance de brûleur désirée. Différents dispositifs d'alimentation en poudre, et différentes unités d'alimentation en gaz, ces dernières pouvant être sous forme de parties modulaires à valves et correspondre, respectivement à des quantités de gaz combustible échelonnées de manière appropriée, font également partie des pièces de l'appareil à agencement modulaire. Différentes installations de post-accélération qui sont, de préférence, refroidies à l'eau et qui peuvent être agencées avec ou sans moyens d'introduction d'un gaz de striction, selon le cas d'utilisation, appartiennent également aux éléments modulaires de l'appareil -de pulvérisation à la flamme. Les Figures 3 à 11 montrent différents dispositifs additionnels de postaccélération qui sont respectivement fixes sur une buse de brûleur ou une pièce support de buse de brûleur 1, au moyen d'un dispositif de fixation approprié qui n'est pas représenté en détail dans les dessins schématiques. En particulier, la Fig. 3 représente un dispositif additionnel d'accélération 2 qui comprend une chambre de combustion 3, ainsi qu'une partie d'accélé- ration 4 lui faisant suite, sous forme d'un tuyau de diamètre intérieur constant. Le dispositif additionnel d'accélération est refroidi par un agent approprié, par exemple de l'eau, par une chambre de refroidissement 5, munie d'ouvertures d'entrée et de sortie 6,7 pour l'agent de refroidissement. Les Figures 4, 5, 6 et 7 montrent, de manière analogue, des formes d'exécution dans lesquelles les pièces d'accélération 41,42,43, 44 ont respectivement une forme intérieure conique, une forme de tuyère de Venturi et une forme de tuyau à gradin ayant respectivement un diamètre intérieur s'agrandissant et se rétrécissant. La Fig. 8 montre un dispositif additionnel d'accélération dans lequel un gaz de striction est introduit par des moyens d'introduction 8 et 9, d'une part dans la chambre de combustion et, d'autre part dans la pièce d'accélération. Bien entendu, il est également possible d'utiliser uniquement l'un ou l'autre des moyens d'introduction. La Fig. 9 montre l'introduction d'un gaz de striction dans la partie en gradin de la pièce d'accélération. La Fig. 10 montre, de manière schématique, la fixation d'un dispositif d'accélération additionnel sur une buse de brûleur ayant un diamètre plus petit, au moyen d'un anneau intermédiaire 10. La Fig. 11 montre un dispositif d'accélération additionnel qui peut être rabattu par pivotement dans la direction indiquée par la flèche F, pour l'allumage de la flamme. B-5946 FR REVENDICATIONS 1. Procédé de pulvérisation à la flamme de matériaux en poudre, pour produire des couches superficielles sur des substrats, au moyen d'un appareil de pulvérisation à la flamme autogène dans lequel on produit un mélange de gaz combustible et de gaz oxydant, et on allume ce mélange à sa sortie d'une buse de brûleur, appareil dans lequel on amène, au moyen d'un gaz porteur, le matériau de pulvérisation en poudre à cette buse de brûleur, pour l'introduire dans la flamme à sa sortie de la buse, caractérisé en ce que l'on choisit le domaine de fonctionnement de l'appareil de pulvérisation à la flamme utilisé de façon telle que la constante d'énergie PE des particules du matériau de pulvérisation, qui est donnée par le rapport du pourcentage de l'énergie cinétique Ek des particules à leur énergie totale, lors de l'impact des particules sur la surface du substrat, à la vitesse de la flamme Fv, mesurée en m/s, soit comprise entre 0,1 et 0,2 s/m, la vitesse de sortie des particules de matériau de pulvérisation hors de la buse du brûleur, lorsque la flamme est allumée, étant inférieure à 30 m/s, et en ce que l'on choisit la taille des particules du matériau de pulvérisation, en fonction de la vitesse de la flamme, à l'intérieur d'un domaine qui se rétrécit de manière continue, compris entre 150 et 37 umr pour Fv = 90 m/s et 63 et 5 pm pour Fv = 300 m/s. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on confère à la flamme, au moyen d'un dispositif d'accélération additionnel monté sur l'appareil de pulvérisation à la flamme, une vitesse plus élevée par rapport à la vitesse d'allumage du mélange de gaz combustible et de gaz oxydant. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la constante d'énergie P a une valeur comprise E - 11 entre 0,15 et 0,18 s/m. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vitesse de sortie des particules de matériau de pulvérisation hors de la buse du brûleur, la flamme étant allumée, est inférieure à 10 m/s. 5. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la vitesse de sortie des particules de matériau de pulvérisation hors de la buse du brûleur, la flamme étant allumée, est supérieure à 15 m/s. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la quantité de gaz combustible introduite est comprise entre 500 et 3000 l/h, rapporté aux conditions normales de température et de pression. 7. Appareil de pulvérisation à la flamme pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mélange de gaz combustible et gaz oxydant est produit au moyen d'un ou plusieurs injecteurs qui sont disposes dans le corps de l'appareil de pulvérisation à la flamme, ou dans une pièce de support de buse montée, de manière à être interchangeable, entre le corps de l'appareil de pulvérisation à la flamme et sa buse de brûleur, ou encore dans une buse de brûleur interchangeable. 8. Appareil de pulvérisation à la flamme selon la revendication 7, caractérisé en ce que les pièces de support de buse ou les buses de brûleur interchangeables présentent des injecteurs qui correspondent respectivement à des puissances de flamme différentes, de sorte que le choix de ces pièces permet d'adapter la puissance de la flamme au cas d'application désiré. 9. Appareil de pulvérisation à la flamme selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'un dispositif d'accélération additionnel, présentant une chambre de combustion ainsi qu'une partie d'accélération essentiellement tubulaire, est disposé en aval de la buse de brûleur. 10. Appareil de pulvérisation à la flamme selon la revendication 9, caractérisé en ce que la partie d'accélération présente le même diamètre intérieur à l'endroit d'entrée et à l'endroit de sortie de la flamme. 11. Appareil de pulvérisation à la flamme selon la revendication 9, caractérisé en ce que la partie d'accélération a une forme intérieure conique et présente un plus grand diamètre à l!endroit de sortie de la flamme qu'à l'endroit d'entrée de la flamme. 12. Appareil de pulvérisation à la flamme selon la revendication 9, caractérisé en ce que la partie d'accélération est agencée sous forme d'une tuyère de Venturi. 13. Appareil dé pulvérisation à la flamme selon la revendication 9, caractérisé en ce que la partie, d'accélération est agencée en gradin et a un diamètre intérieur plus petit du côté d'entrée de la flamme que du côté de sortie de la flamme. 14, Appareil de pulvérisation à- la flamme selon la revendication 9, caractérisé en ce que la partie d'accélération est agencée en gradin et a un diamètre intérieur plus grand du côté d'entrée de la flamme que du côté de sortie de la flamme. 15. Appareil de pulvérisation à la flamme selon l'une des revendications 9 à 14, caractérisé en ce qu'il présente des moyens pour introduire un courant de gaz supplémentaire dans le dispositif d'accélération additionnel afin de produire une striction de la flamme. 16. Appareil de pulvérisation à la flamme selon la revendication 15, caractérisé en ce que la partie d'accélération et/ou la chambre de combustion du dispositif d'accélération additionnel présentent un ou plusieurs orifices d'entrée latéraux pour le gaz de striction. 17. Appareil de pulvérisation à la flamme selon l'une des revendications 13 ou 14 et la revendication 16, caractérisé en ce que les orifices d'entrée pour le gaz de striction débouchent à la hauteur du gradin dans la partie d'accélération. 18. Appareil de pulvérisation à la flamme selon la revendication 15, caractérisé en ce que l'on utilise comme gaz de striction de l'air comprimé, de l'azote ou un gaz rare. 19. Appareil de pulvérisation à la flamme selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de fixation qui permet de fixer et d'échanger à volonté un dispositif d'accélération additionnel sur l'appareil pour différentes dimensions de la buse de brûleur ou de la pièce de support de buse et qui autorise différentes dimensions du dispositif d'accélération additionnel. 20. Appareil de pulvérisation à la flamme selon la revendication 19, caractérisé en ce que le dispositif de fixation comprend des anneaux intermédiaires pour l'adaptation du diamètre extérieur de la buse de brûleur, ou de la pièce de support correspondante, au diamètre intérieur de la chambre de combustion du dispositif d'accélération additionnel. 21. Appareil de pulvérisation à la flamme selon la revendication 9 ou la revendication 19, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de fixation agencé sous forme d'un dispositif de serrage. 22. Appareil de pulvérisation à la flamme selon la revendication 9 ou la revendication 19, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de fixation à charnière qui permet de rabattre le dispositif d'accélération additionnel par pivotement.