Brevet FR2642673A1 — publié le 19900810

TUYVE DE PULVÉRISATION À LASER À ACJLEMEN TRASVERSAL ET PROCD CORRESNDAN Cette invention conerne la vaporisation et la pulvéri- sation de matériaux et, plus particulièrement, une telle pulvéri- sation induite par chauffage laser. Dans un grand rombre de systèmes constitues de maté- riaux modernes, il est nécessaire d'ajouter des couches d'un matériau sur un substrat existant. Dans certains cas, un revé- tement constitué d'un matériau dur ou résistant à l'usure est effectué sur un matériau résistant ou ductile. Le matériau campc- site résultant donne un élément de crostructiconi qui possède de bonnes propriétés mecaniques telles que la résistance, la ducti- lité et la résistance à la rupture, et qui possède également une surface qui ne s'use pas rapidement dans des envir mesnts qui sont érosifs, abrasifs ou les deux à la fois. Dans d'autres applications, on peut réparer un élément en rajoutant sur le substrat un nouveau matériau de même composition que oelle du substrat (ou d'une composition différente), en formant progres- sivemient une oertaine épaisseur du matériau d'apport pour rem- plaoer celui qui a été perdu au cours de l'utilisation. Beauoup d'autres applications des revêtements sont largement utili sées, à cause des possibilités multiples d'utilisation qu'offrent de tels matériaux. Ie ctoues du matériau peuvent être rapportées sur le substrat par un grand rxnbre de procéds différents, dépedant du substrat, du matériau d'apport et de la performaic requise. Le matériau d'apport peut être fourni sous forma solide et lamirne, liée ou fixée sur le substrat. Dans d'autres procédés, le maté- riau d'apport peut être fourni sous une forme différente de celle de la oefiguration finale et appliqué sur le substrat automa- tiquement, souvent dans un état de fusion ou de vaporisation. Dans un grand rrrnbre de cas, on préfère oette dernière approche pour obtenir une excellente adhèrence du matériau d'apport sur le substrat et pour obtenir un produit final très bien maitrisable. Dans une tedhnique largcment répandue, on forme un plasma au niveau d'un arc éleotrique. De la poudre de métal entraiîne dans un oeurant gazeux est dirigée à travers le plasma causant la fusion du mital et sa mise sous forme de gout- telettes. Le métal fondu est alors pulvérisé contre un substrat pour se solidifier sous forme d'un revêtoeent ou d'une o=ocbe. La pulvérisation par plasna ainsi que d'autres techniques similaires ne sont pas utilisables pour certains nétaux, tels que par exemple les alliages de titane pulvérisés dans un environement aÀ tmosprique. En plus, la form géométrique de l'appareil de pulvérisation à plasma n'est pas adaptée à l'application du mital pulvérisé sur certaines formes de substrat, telles que l'inté- rieur de cavités. Par ccsécquent, il existe un besoin pour une nouvelle' technique de dépôt de matériaux sur des substrats, qui permette le dépôt du matériau dans des endroits étroits Ou inacoessibles. La présente invention répond à oe besoin et procure également d'autres avantages. T. présente invention est mise en oeuvre dans un appareil pour la pulvérisation du matériau, tout en conservant les avantages des techniques de pulvérisation antérieures et en permettant également un grand éventail dans le choix de la géo- trie de l'appareil en vue de déposer un matériau sur des endroits d'un substrat inaccessible par les autres moyens. Le substrat n'est pas chauffé directement par le laser, oe qui permet de le conserver relativement froid. Selon 1'invention, 1'appareil pour produire un flux de métal d'apport fonu comprend une souroe de chauffagce par laser dont le faisceau est dirigé dans une chambre d'interaction, le faisceau ayant une intensité à l'intérieur de la chambre d'interaction suffisante pour fondre le métal d'apport quand oelui-ci est introduit dans la chambre d'interaction; des moyens pour introduire le matériau d'apport dans la chambre d'interac- tion; et des moyens pour confier partiellement le matériau d'apport fondu à 1'intérieur de la chambre d'interaction et pour éjecter le matériau d'apport fcodu depuis la chambre d'interac- ticn selon une direction présentant une caoosante transversale par rapport au faisceau laser. Selon urne autre mise en oeuvre de l'invention, l'appareil pour produire l'écoulement de matériau d'apport fondu corprend un moyen de confiment pour confiner le plaama à l'intérieur de la chambre d'interaction; un laser ayant un faisoeau dirigé dans la chambre d'interaction, définissant ainsi une direction du faisceau laser, le laser ayant une puissanroe volumique du faisoeau suffisante pour former un plasma à l'inté- rieur de la chambre d'interaction et pour fondre le matériau d'apport lorsque celui-ci est introduit dans la chambre d'interaction; un moyen pour introduire le matériau dans la chambre d'interaction; et un moyen pour éjecter le matériau d'apport fondu à l'extérieur de la chambre d' interaction selon une direction différente de la direction du faisoeau laser. Selon une approche particuliére, le faisceau laser est focalisé dans la chambre d'interaction à l'aide d'un miroir ou d'un objectif, avec une intensité suffisante pour produire un plasma. Un curant de métal d'apport fluidisé par un gaz est amerné latéralement dans le plasma de sorte que l'appareil d'ali- mentation ne soit pas exposé au faisceau laser. Le plasma et le matériau d'apport fondu situés dans le plasma sont enfermés dans la chambre d'interaction limitée, avec une pression de gaz 26.42673 équilibrée afin d'emxpêcher le plasna et le matériau d'apport fcndu de se répandre le lc13 de l'axe du faisoeau laser. Une arerture latérale dans le bottier, disposée du côté opposé à oelui par o le courant d'apport est introduit, permit au maté- riau d'apport fcndu de s 'échapper selon une direction perpendicu- laire à l'axe du faisceau laser. De substrat n'est par consuent pas exposé direeent au faisceau laser, et de matériau d'apport s'écoulant est déposé pependiculaireent à l'axe du faisceau laser. Cette onrfiguration permet la acnstructicn d'un appareil de dépôt long, en forme de sonde, qui peut être utilisé pour déposer un matériau à l'intérieur de cavités ou à d'autres erndroits relativement inacxessibles. Puisque le substrat n'est pas direcent chauffé par le faisèau laser, sa structure n'est ncrmalement pas altérée de façon significative au cours du processus de dépôt. De façon plus spécifique, l'appareil pour la production de matériau d'apport fondu c.nprend un boitier ayant une paroi latérale et une amerne d'énergie du faisceau laser à une extré- mité de celui-ci; un laser dont le faisceau est introduit dans le boîtier le longc d'un axe de faisceau se trauvant dans la direction de l'amenée d'énergie du faisceau laser; un orifice d'introduction de la poudre dans la paroi latérale du boitier, par o de la poudre du matériau d'apport peut être introduite à l'intérieur du boîtier dans une chambre d'interaction située le long de l'axe du faisceau laser; une source de gaz de confine- ment qui produit dans le boîtier des pressions de gaz très sensi- blesent égales pour des endroits situés de façon cçosée et à une égale distancrre de la chambre d'interaction le long de l'axe du faisceau laser; et un orifice pour le métal pulvérisé mnagé dans la paroi latérale du boîtier et adjacent à la chambre d'interaction. La présente inventi concerne aussi un procédé pour pulvériser un métal utilisant un chauffage par laser. Selon cet aspect de l'i/rention, le proéodé pour former un flux de matériau d'apport fondu ccxmprend les étapes consistant à diriger un faisceau laser dans la chambre d'interaction, le faisceau laser à l'intérieur de la chambre d' interaction ayant une puissance volu- mique suffisante pour fonrlre le matériau d'apport contenu à l'intérieur de la chambre d'interaction; introduire le matériau d'apport dans la chambre d'interaction; et produire un courant de matériau d'apport fondu depuis la chambre d'interaction dans une direction différente de celle du faisoeau laser. L'appareil et le prod selon 1 'invention procurent un avantage important dans le dnomaine du dépôt de matériaux d'apport par pulvérisation. L'érergie du laser est utilisée pour farxre un matériau d'apport d'ure facn bien maitrisée et à haut rende- ment. L'axe de dépôt est différent de l'axe du faisoeau laser, évitant ainsi un chauffage inutile du substrat et permettant la onstrultion d'appareils de dépôt destirés à être utilisés dans des espaoes fermés. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mis en évidere dans la description détaillée qui va suivre d'un mode de réalisation particulier de l'inven- tion, en relation avec les figures annexées, parmi lesquelles: la figure 1 est une vue schématique d'un appareil selon 1'invention; et la figure 2 est une vue en coupe transversale de la tuyère à laser selon l'invention. Un mode de réalisation particulier de la présente invention orrespant à un appareil de pulvérisation par laser à flux transversal 10, est représenté de façon gétérale dans la figure 1. L'appareil 10 oeprend un laser 12 dont le faisceau est dirigé à travers un ensemble optique 14 qui focalise le faiseau au niveau de la chambre d'interaction 16 situé à l'intérieur de la tuyère à flux transversal 18. De préférence, la puissane volumique du faisau laser au niveau de la chambre d'interaction est suffisa rnt grande pour créer un plasma. Un flux de matériau d'apport pulvérulent fluidisé par un gaz est envoyé dans la chambre d'interaction par un orifice 20 ménagé dans la paroi cylindrique de la tuyère 18. Dans la chambre d'interaction 16, le matériau d'apport est chauffé rapidement par le faisoeau laser et fondu. 2642'673 Le métal fondu est partiellement confine à l'intérieur de la chambre d'interaction 16. Dans oes conditions, le métal fondu n'a pas la possibilité de se déplacer le long de l'axe du faisceau laser, mais peut jaillir par l'orifioe de pulvérisation de métal 22 situé dans la paroi de la tuyère 18 à l'opposé par rapport à l'orifios d'introduction de la poxdre 20, avec une aélération et une force provoquees par le courant gazeux servant à fluidiser le matériau d'apport pulvérulent. Le onfirne- ment partiel est obtenu du fait que la pression de gaz est égale le long de l'axe du faisceau laser, oe gaz étant introduit par un systàme d'amenée de gaz de confinement 24. Tout excès d'énergie du faisoeau laser, rnon absorbée et par le matériau d'apport lors de son chauffage et par le plasma, si oelui-ci est présent, aboutit dans un organe d'absorpticon du faisoeau laser 26, qui est refroidi par de l'eau s'éculant dans une canalisation de refroi- dissement 28. Le matériau d'apport fondu s'écoule tranversalement par rapport à l'axe du faisceau laser, bors de la tuyère 18 sous forme d'un brouillard 30. Le brouillard 30 peut alors être uti- lisé comoe on le souhaite, typiquement pour former un dépôt 32 sur un substrat 34. La tuyère à écolement transversal 18 est représentée plus en détail dans la figure 2. La tuyère 18 oemprend un boîtier formant un carter cylindrique 36. Une première extrémité 38 du boîtier 36 est ouverte et est fixée à l'ensemble d'optiques 14 de façon qu'un faisceau laser covergent 40 puisse être introduit dans le boîtier 36 le longc de scn axe de rèvolution 42. A I'autre extrémité 44 du bottier, est disposé un bloc d'aluminium refroidi par eau qui remplit la fonction de l'élément d'évacuation de l'nergie du faisoeau laser 26. L'élément d'évacuation de l'éner- gie du faisoeau 26 absorbe et dissipe la part de l'énergie du faisceau laser 40 qui traverse la chambre d'interacticn 16. L'orifioe d'introduction de la poudre 20 est situé dans la paroi latérale cylindrique 64 du boîtier 36. L'orifioe 20 comporte un raccord 46 fixé à la paroi latérale 44. Le raccord 46 reoit à son exrémité extere un tube d'aaene de la poudre fluidisée 48 par lequel la poudre du matériau d'apport est intro- duite à l'intérieur du bottier 36. Le courant fluidisé est obtenu en introduisant de la poudre provenant d'un tube à poudre 50 dans un écoulement de gaz fluidisant provenant d'un tube de gaz flui- disant 52. Le courant de poudre fluidisé provenant du tube d'amenre 48 s'éxoile à l'intérieur du bottier 36 et passe dans le faisceau laser 40 au niveau ou à proximité de son point de foca- lisation 54. Le gaz et la poudre sont chauffés rapidement du fait de l'absorption de l'énergie du faisceau laser 40. Sans être lié à cette explication, on peut penser que les nmolcules du matériau _nstituant la poudre se vaporisent à partir de la surfaoe des particules de poudre. Le chauffage du gaz et des atomares du maté- riau d'apport vaporisés, si la température est suffisamment élevée, provoque des extractions d'électrons des molécules et forme un plasma. Le plasma rayonne thermiquement, causant ainsi la fusion des particules de poudre du matériau d'apport. Fme si un plasma ne peut pas s'établir, les particules de poudre sont fondues. Cependant, il est préférable qu'il se forme un plasma parce que dans ce cas l'échauffement des particules s'effectue de façon plus efficaoe et plus uniforme. Le plasma rayonnant indé- perdamment élargit le volume de la chambre d'interaction, et acélère le matériau devant être déposé sur le substrat. Le matériau d'apport fondu présent dans la chambre d'interaction 16 est partiellement confiné pour limiter sa possi- bilité d'expansion. L'expression "partiellement confiré" est employée ici pour signifier que le matériau d'apport fondu reçoit une contrainte allant à l'encontre de son expansion ou de son mouvement le long de l'axe de révolution 42. Pour obtenir ce confinemrent partiel conrcernant le matériau d'apport fondu, on établit une pression de gaz identique à l'intérieur du boîtier 36 de chaque coté dans la position axiale de la chambre d'interac- tion 16. La pression du gaz appliquée et l'écoulement du gaz vers la chambre d'interaction empechant le matériau situé à l'intérieur de cette chambre de s' 'échapper de la chambre d'interaction selon une direction parallèle à l'axe de révolution 42. Pour obtenir le systbme de limitation partielle, deux tuyères coniques de confinxent 56 sont fixées dans la faoe interne de la paroi latérale 44, leur axe de one respectif cDin- cidant avec l'axe de révolution 42. Tes ouvertures de sommaet 58 des tuyères coniques 56 sont adjaoentes à la chambre d'interac- tion 16 et pointées vers celles-ci. Une pression de gaz est établie dans l'intérieur de chaque tuyère 56, de sorte qu'il y ait un flux de gaz en direction de la chambre d'interaction 16, le long de l'axe 42. Le faisoeau laser passe sans obstacle à travers l'ouverture de sommet 58 de chaque tuyère 56 et dans la chambre d'interaction 16, mais le matériau d'apport fondu ne peut pas diffuser facilement vers l'extérieur le long de l'axe 42 et s'échapper de la chambre d'interaction 16 en allant à l'ercontre du flux de gaz. La pression de gaz à l'intérieur du boltier 36, en dessus et en dessous des deux tuyères 56, est établie en intro- duisant des écoulements de gaz par des canalisations de gaz de confinement 60 qui font partie du systèm de gaz de confinement 24. Il est important que les débits de gaz passant à travers les ouvertures de siommet 58 des deux tuyères de confirnemrent 56 et les pressions du gaz dans oelles-ci soient approximativement égales de chaque côté, pour éviter l'instabilité du matériau d'apport foncdu et du plasma, si celui- ci est présent. Un écouxlement de gaz suffisamment grand et une différence de pression entre les deux tuyères 56 peuvent avoir pour coonsquence que le métal fondu et le plasma soient entrainés en debors de la chambre d'interaction 16. Dans ce cas, la fusion n'aura pas un bon rendement et l'appareil 10 pourra être erndmmagé. Le matériau d'apport fondu et le plasma ne peuvent pas diffuser le long de l'axe de révolution 42 du fait du confixnment par le gaz et ne peuvent pas rétrodiffuser vers l'orifioe d'introduction de la poudre 20 à cause de l'écoulement du gaz porteur. En c substrat 34 pour former le dépôt 32. Dans un mode de réalisation de l'invention, le boitier 36 est constitué d'un cylindre en bronze évidé ayant une lcogueur d'environ 165 mm et un diamètre d'environ 35 mm. L'ouverture de scmmet a un diamètre d'environ 1, 8 mm, le débit du gaz dans chaque canalisation 60 est d'environ 0,14 m3 par heure, et le gaz est de l'argon. On peut utiliser d'autres gaz parmi lesquels l'azote, l'hélium, l'hydrogèe, l'oge, le dioxyde de carbone, et des mélanges de oeux-ci. Le laser utilisé ici est un laser au dioxyde de carbone ayant une puissanxe supérieure à 3 kilowatts, fnctiomnnant en multi-modes. Dans o ns cditions, on a obtenu un plasma dans la chambre d'interaction qui, dans ce cas, est égale- ment appelé chambre de création du plasma. L'alliage de nickel dénomué Irnc-l 718 a été pulvérisé en utilisant l'appareil selon l'inventicn 10 par une pulvérisa- tion par plasma de particules de l'alliage ayant une taille supé- rieure à 75 micrométres. En utilisant l'appareil décrit précédn- ment, on a introduit au travers de l'orifice d'introduction de la poudre 20 la poudre d'alliage à un débit de 10 grammes par minute fluidisée par de l'argon a un débit de 0,85 m3 par haeure. La poudre était fcndue dans le plasma et déposée sur le substrat 34 en passant par l'orifice de pulvérisation de métal 22. Le dépôt de métal pulvérisé a été analysé sous l'aspect de la métallurgie, et on a trouvé qu'il était rec ent lié au substrat. D'autres exemples de matériaux ont été déposés, parmi lesquels des alliages de titane, des alliages de cobalt, des alliages de fer et des matériaux rnon métalliques tels que des oxydes d'aluminium, de zirconiun et de chrcoe. Le procdé selon l' invention permet le revêtement par brouillard de substrats avec des matériaux variés. L'énergie du laser est utilisée pour fondre le matériau d'apport, de préfé- rence en créant un plasma dans lequel se produit la fusion. De façon caractéristique, la pulvérisation de métal fondu se produit dans une direction différente de celle du faisceau laser. En coosquno, le faisoeau laser ne peut pas frapper le substrat, et il en résulte un échauffement du substrat plus faible que oelui pouvant se produire dans les autres cas. La présente invention ne se limite pas à l'exemple de réalisation décrit rr ILm ent, mais ernglobe toute modification que peut apporter l'homme de l'art. EVNDICATIONS 1. Appareil pour la production d'un écoulement d'un matériau d'apport fondu, caractérisé en oe qu'il comprend: une souroe de chauffage par laser (12) ayant un fais- oeau dirigé dans une chambre d'interaction (16), le faisceau ayant une intensité à l'intérieur de la chambre d'interaction suffisante pour fondre le matériau d'apport quand il est intro- duit dans la chambre d'interaction; un moyen pour introduire le matériau d'apport dans la chambre d'interaction; et un moyen pour confiner partiellement le matériau d'apport fondu à l'intérieur de la chambre d'interaction et pour éjecter le matériau d'apport fondu depuis la chambre d'interac- tion dans une direction ayant une composante transversale par rapport à oelle du faisceau laser (40). 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en Ce qu'un plasma est formé à l'intérieur de la chambre d'interaction (16). 3. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen d'introduction comporte une alimentation (48) de poudre dans laquelle la poudre du matériau d'apport est mélangée avec un écoulement de gaz et introduite dans la chambre d'interaction (16). 4. Appareil selon la revexndication 3, dans lequel le gaz mélangé avec le matériau d'apport est sélectionné parmi le groupe constitué de l'argon, l'azote, l'hlium, 1'hydrogèe, l'oxygèoe, le diowde de carbone et des mélanges de oeux-ci. 5. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de confinement partiel inclut une source (60) de gaz de confineent axial qui produit une pression de gaz équilibrée de chaque côté de la chambre d'interaction (16) le loeg de la direction (42) du faisceau laser, de sorte que le matériau d'apport fondu ne s'écoule pas parallèlement à la direction du faisoeau laser (40). 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en oe que le gaz de confirment est sélectionné dans le groupe onsti- tué de l'argon, l'azote, l'hélium, l'hydrogène, l'oxygène, le dioxyde de carxbone et les mélanges de ceux-ci. 7. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau d'apport fondu quitte la chambre d'interaction (16) selon une direction (62) perperdiculaire au faisoeau laser. 8. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau d'apport est sélectionné dans le groupe constitué de l'alliage de titane, l'alliage de nickel, l'alliage de cobalt, l'alliage de fer et les matériaux non métalliques. 9. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau d'apport est sélectionné dans le groupe constitué de l'oxyde d'aluminium, l'oxyde de zirconium et l'oxyde de chrome. 10. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen (14) pour focaliser le faisceau laser (40) dans la chambre d'interaction (16). 11. Appareil pour la production d'un écoulement d'un matériau d'apport fondu, caractérisé en oe qu'il compnrend: un moyen de onfirent pouar confiner un plasma à l'intérieur de la chambre d'interaction (16); un laser (12) ayant un faisoeau (40) dirigé dans la chambre d'interaction (16) le long d'une direction de faisceau laser (42), le laser ayant une puissance volunique de faiseau suffisante pour former un plansma à l'intérieur de la chambre d'interaction (16) et pour fondre le matériau d' apport quand oelui-ci est introduit dans la chambre d'interaction; un moyen d'introduction (20) du matériau d'apport dans la chambre d'interaction (16); et un moyen d'éjection du matériau d'apport fcndu hors de la chambre d'interaction (16) dans une direction différente (42) de celle du faisceau laser (40). 12. Appareil selon la revendication 11, caractérisé en oe que le matériau d'apport fondu quitte la chambre d'interaction (16) selon une direction (62) perpendiculaire à oelle (42) du faisceau laser. 13. Appareil selon la revendication 11, caractérisé en ce que le moyen d'éjection comprend un moyen pour em her le matériau d'apport fcndu de s'écouler le long de la direction du faisoeau laser. 14. Appareil selon la revendication 13, caractérisé en oe que le moyen pour empcher ct écoulement corprend des mtoyens (60, 56) pour appliquer une pression de gaz dans la chambre d'interaction (16), la pression de gaz étant sensiblement égale de chaque côté de la chambre d'interaction (16) dans la direction (42) parallèle au faisoeau laser (40). 15. Appareil pour la production d'un matériau d'apport fondu, caractérisé en ce qu'il comprend: un boîtier (36) ayant une paroi latérale (64) et un élément d'absorption (26) de l'énergie du faisoeau laser à l'une de ses extrémités; un laser (12) dont le faisceau (40) est introduit dans le boîtier le long d'un axe de faisoeau (42) en direction de 1'élément d'absorption (26) de l'énergie du faisoeau laser; un orifice d'introduction de poudre (20) mfnagé sur la paroi latérale (64) du boîtier (36), par lequel une poudre du matériau d'apport peut être introduite dans l'intérieur du boîtier au niveau d'urne chambre d'interaction (16) située dans l'axe (42) du faisceau laser (40); une source de gaz de confinement qui produit des pres- sions de gaz sensiblement égales à l'intérieur du boîtier (36) en des endroits situés à égale distaixe et cpposés par rapport à la chambre d'interaction (16), le lcng de l'axe (42) du faisoeau laser; et un orifice (22) de sortie du brouillard de métal (30) menagé dans la paroi latérale (64) du boîtier (36), adjaoent à la chambre d'interaction (16). 16. Appareil selon la revendication 15, caractérisé en ce que le boitier (36) est cylindrique. 17. Procédé pour la formation d'un écoulement de maté- riau d'apport fondu, caractérisé en ce qu'il cmprend les étapes suivantes: diriger un faisceau laser (40) dans une chambre d'interaction (16), le faisceau laser à l'intérieur de la chambre d'interaction ayant une puissance volumique suffisante pour fcxndre le matériau d'apport contenu à l'intérieur de la chambre d'interaction; introduire le matériau d'apport dans la chambre d'interaction (16); et extraire un courant de matériau d'apport fondu de la chambre d'interaction (16) selon une direction différente de la direction (42) du faisceau laser (40). 18. Procédé selon la rvendication 17, caractérisé en ce que le matériau d'apport fondu quitte la chambre d'interaction (16) selon une direction (62) perpendiculaire à celle (42) du faisceau laser.