Brevet FR2675819A1 — publié le 19921030

Procédé et dispositif de formation de dépôt par projection d'un matériau d'apport sur un substrat La présente invention concerne un procédé de formation de dépôt par projection d'un matériau d'apport sur un substrat comprenant les étapes de fondre, par combustion d'un mélange oxycombustible, le matériau d'apport solide et de pulvériser et projeter le matériau d'apport fondu par un flux de gaz vecteur contenant au moins 80 % d'au moins un gaz inerte. La projection thermique à la flamme regroupe tout un ensemble de procédés en vue de la modification de propriétés de surface d'un substrat par la constitution, sur cette surface, d'un dépôt d'un matériau d'apport, généralement métallique Sous l'action de la combustion du mélange oxycombustible, le matériau d'apport est amené progressivement à sa température de fusion et le gaz vecteur pulvérise le matériau fondu en fines particules animées d'une forte énergie cinétique Les particules à l'état liquide ou pâteux viennent frapper le substrat initialement préparé pour cette opération Le gaz vecteur actuellement employé est l'air comprimé et les rendements (rapport entre le poids de matériau d'apport réellement déposé sur le substrat et le poids de matériau d'apport effectivement consommé) typiquement obtenus sont de l'ordre de 55 à 57 % pour la projection de zinc qui est le métal le plus couramment utilisé pour la réalisation de dépôts anti-corrosion, notamment sur des tubulures métalliques. La Demanderesse a constaté que les propriétés thermo- dynamiques du gaz vecteur jouent un rôle important sur la valeur du rendement Ainsi, la température de vaporisation du matériau d'apport peut être rapidement atteinte pour les particules de faible diamètre si le gaz vecteur présente une forte conductivité thermique Par ailleurs, la formation d'oxydes sur les particules lors de leur parcours entre la zone de fusion et le substrat à revêtir est exothermique et peut donc conduire à une évaporation excessive du matériau à projeter. La présente invention a pour premier objet de proposer un procédé du type sus-mentionné, de mise en oeuvre aisée et souple, permettant une amélioration notable du rendement de projection. Pour ce faire, selon une caractéristique de l'invention, le gaz vecteur contient au moins 90 %, notamment au moins 99 %, d'au moins un gaz inerte, typiquement de l'azote et/ou de l'argon. Un tel gaz vecteur à forte proportion de gaz inerte permet de diminuer la réactivité du milieu sur le chemin des particules grâce à la réduction de la zone d'oxydation et donc permet une réduction du volume de matériau d'apport entré en combustion et une diminution de la quantité de particules oxydées présentant un état impropre à un bon accrochage sur le substrat De plus, la réduction du volume de chaleur par la diminution du volume de particules oxydées permet de réduire la distance entre la buse de projection et le substrat sans altérer la qualité du dépôt, et donc de mieux concentrer le tir Il en résulte, pour la projection de zinc avec de l'azote pur, de l'argon pur ou un mélange des deux, une amélioration de rendement entre 5 et 10 % Des augmentations de rendement comparables sont obtenues pour la projection d'autres matériaux, tels que le molybdène. La présente invention a pour autre objet de proposer un procédé du type défini ci-dessus susceptible d'être mis en oeuvre avec des coûts de fonctionnement réduits. Pour ce faire, selon une caractéristique plus particulière de l'invention, le gaz vecteur comprend entre 1 et 10 % d'oxygène, typiquement entre 2 et 8 %, le reste étant l'azote, ce gaz vecteur étant typiquement fourni par une unité de séparation de l'air à adsorption ou perméation. Selon cet aspect de l'invention, le gaz vecteur peut être produit à faibles coûts et, bien qu'une faible quantité d'oxygène demeure présente, l'augmentation du rendement peut atteindre, pour la projection de zinc, entre 3 et 8 % en fonction de la teneur en oxygène. Dans les procédés connus, le gaz combustible est essentiellement le propane et parfois l'acétylène Dans le cas du propane, le mélange oxycombustible présente une puissance spécifique et une vitesse de déflagration faibles, la flamme obtenue formant des dards longs et étant globalement trop puissante L'accroissement du volume d'oxygène, pour élever la puissance spécifique, ou l'augmentation du débit global de mélange oxycombustible n'a pour effet que de réduire le rendement de projection Par ailleurs, l'acétylène présente une puissance spécifique et une vitesse de déflagration élevées, se traduisant par des dards courts et une flamme localement trop puissante La réduction du taux d'oxygène ou du débit global de mélange oxycombustible entraîne une baisse notable du taux de dépôt. La présente invention a pour autre objet de proposer un procédé encore amélioré par l'emploi de gaz performants mieux adaptés et par une optimisation de la répartition de la chauffe du matériau d'apport à fondre. Selon un aspect de l'invention, le mélange oxycombustible est réalisé par apport d'oxygène et d'un composé de propylène et de méthylacétylène ou d'un composé d'éthylène et d'acétylène. Ces composés, disponibles commercialement, ont une puissance spécifique, une vitesse de déflagration et une longueur de dard intermédiaires entre ceux du propane et de l'acétylène La flamme obtenue résulte en une meilleure répartition de la puissance calorifique autour du fil de matériau d'apport. Selon une autre caractéristique de l'invention, le mélange oxycombustible est éjecté, vers le matériau d'apport suivant au moins deux séries de passages d'éjection décalées radialement par rapport à ce dernier. La présente invention a encore pour objet de proposer un dispositif de projection perfectionné et de coûts de fabrications réduits convenant tout particulièrement pour la mise en oeuvre des procédés définis ci-dessus, comprenant une buse de projection ayant un axe principal et comportant un passage central d'amenée du matériau d'apport débouchant par un orifice à une extrémité de la buse, une pluralité de conduits de mélange oxycombustible débouchant à l'extrémité de la buse par des ouvertures angulairement réparties autour de l'orifice central, et un passage annulaire de gaz vecteur entourant l'extrémité de la buse, caractérisé en ce que les ouvertures des conduits de mélange oxycombustible sont réparties suivant au moins deux séries décalées l'une de l'autre par rapport à l'axe principal. Les buses de projection à la flamme connues sont monobloc et les conduits de mélanges sont constitués de passages tubulaires forés dans la buse et se terminant par des orifices calibrés de même diamètre répartis sur un cercle autour de l'orifice central, dans un agencement délicat à réaliser et ne permettant qu'un nombre très réduit d'adaptations. Selon un aspect de l'invention, la buse comprend une partie centrale définissant le passage central et emmanchée dans une partie périphérique tubulaire, les conduits de mélange étant formés à l'interface entre les parties centrale et périphérique et débouchant par des ouvertures réparties en au moins une première et une deuxième séries, la distance entre l'axe principal et les ouvertures de la première série étant supérieure à la distance entre les ouvertures de la deuxième série et l'axe principal Les conduits de mélange sont avantageusement formés par des rainures longitudinales fraisées dans la périphérie de la partie centrale, ce qui permet de moduler aisément la profondeur, la forme et le nombre de ces conduits de mélange, et de réduire les coûts de fabrication Un tel dispositif de projection se révèle également plus efficace et souple d'emploi que les dispositifs connus avec des gaz classiques, à savoir l'air comme gaz vecteur et l'acétylène ou le propane comme gaz combustible. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation, donnés à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec les dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un dispositif de projection selon l'invention; la figure 2, représente, en vue en bout de la buse de projection, diverses variantes des conduits de mélange oxycombustible; et la figure 3 est une vue schématique de l'extrémité de la buse montrant l'étagement des flammes de chauffe du matériau d'apport. On reconnaît sur la figure 1 une buse de projection constituée d'un ensemble coaxial d'une partie centrale tubulaire 1 montée dans une partie périphérique tubulaire 2, cet ensemble étant monté coaxialement dans une extrémité d'un support cylindrique 3 lui- même monté dans un corps 4 de pistolet de projection Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, la partie périphérique 2 comporte un évidement central traversant tronconique 5 se raccordant, à l'arrière, par un épaulement radial 6, à une chambre annulaire 7 de diamètre élargi La partie centrale 1 comporte un passage central traversant 8 et comporte, à sa périphérie, deux séries de rainures longitudinales 9 a' 9 b, de profondeurs différentes, angulairement réparties et alternées Le profil extérieur de la portion nervurée de la partie centrale 1 correspond sensiblement au profil intérieur 5 de la partie périphérique 2 En particulier, les nervures entre les rainures 9 a' 9 b comportent une partie arrière de diamètre élargi 10 reçue dans la chambre annulaire 7, en butée contre l'épaulement radial 6 mais ne s'étendant pas sur la totalité de l'extension axiale de la chambre annulaire 7 La partie centrale 1 comporte une extrémité arrière 11 de diamètre réduit alors que la partie périphérique 2 comporte une extrémité arrière 12 de diamètre élargi, ces extrémités arrière étant reçues dans un logement avant étagé 13 du support 3 lui-même traversé par un passage central 14 par lequel le matériau d'apport, en forme de fil homogène ou compacté 15, couplé à des moyens d'entraînement (non représentés), s'avance dans le passage central 8 de la pièce centrale 1 pour sortir, à l'extrémité avant de la buse, par un orifice central 15 autour duquel débouchent les conduits 9 A, 9 B (figure 2) Le passage 8 comporte avantageusement, au voisinage de l'orifice central 16, un chemisage tubulaire 17 en matériau plus résistant à l'usure, par exemple en acier inoxydable. Le support tubulaire 3 comporte une pluralité de passages étagés longitudinaux 18 débouchant, en aval, dans l'extrémité aval de diamètre élargi du logement étagé 13 et, en amont, dans une chambre annulaire 19 communiquant, via des passages dans le corps 4, avec une source de gaz combustible 20, typiquement un composé de propylène et de méthylacétylène commercialisé sous l'appellation "TETRENE" ou d'un composé d'éthylène et d'acétylène commercialisé sous l'appellation "CRYLENE" La portion médiane de diamètre intermédiaire de chaque passage 18 communique, par un passage radial 21, avec une chambre annulaire 22 communiquant elle-même, via des passages internes dans le corps 4, avec une source d'oxygène 23 Le mélange oxycombustible se forme dans les passages 18 et se répartit de façon homogène dans les chambres annulaires 13 et 7 pour alimenter, de façon également homogène, les conduits 9 a' 9 b' L'ensemble partie centrale de buse 1 et partie périphérique de buse 2 est monté et maintenu contre un épaulement interne du logement 13 par un écrou 24 vissé sur l'extrémité antérieure du support 3 Dans la partie avant de l'écrou 24 est rapporté un manchon d'extrémité 25 entourant la partie périphérique 2 et définissant un logement interne se terminant, à l'avant, par une partie conique convergente 26 entourant l'extrémité avant de la partie périphérique 2 en ménageant, autour de cette dernière, un passage annulaire 27 Le manchon 25 est maintenu et bloqué en position dans l'écrou 24 par un capot périphérique 28 vissé sur l'extrémité avant du corps 4 en formant ainsi une chambre annulaire 29 autour de l'écrou 24 et de la partie arrière du manchon 25 L'extrémité avant du corps 4 comporte une chambre annulaire 30 communiquant, par un passage intérieur 31, avec une source de gaz vecteur 32 Le manchon 24 comporte des passages radiaux 33 établissant la communication entre la chambre 29 dans le capot 28 et l'espace annulaire entre le manchon 25 et la partie périphérique de buse 2 Le gaz vecteur en provenance de la source 32 se répartit uniformément dans la chambre annulaire 30, puis passe dans la chambre annulaire 29 en refroidissant l'écrou 24 et la partie arrière du manchon 25, puis de là, par les passages 33, dans la chambre annulaire entre le manchon 25 et la partie périphérique 2 vers le passage de sortie 26, en refroidissant la partie de buse périphérique 2. Comme on le voit mieux sur la figure 3, la conception de la buse selon l'invention autorise l'obtention d'une chauffe étagée, l'alternance des conduits de mélange 9 a' 9 b permettant de répartir différemment les dards de combustion 34 a, 34 b autour du matériau à fondre 15 Les conduits 9 b à plus faible distance de l'axe de la buse donnent une chauffe forte 34 b du matériau à fondre à une courte distance de la face avant de la buse et provoquent une montée rapide en température du matériau 15 Les autres conduits 9 a assurent une chauffe 34 a plus éloignée de l'extrémité de la buse et concourent à une montée en température progressive du matériau à fondre 15. La conception de la buse en deux parties autorise l'exécution de conduits de formes très diverses, par exemple, comme représenté de gauche à droite sur la figure 2, des rainures à section rectangulaire, triangulaire ou trapézoïdale La facilité d'usinage permet également d'accroître le nombre de conduits et leur répartition angulaire, et d'améliorer ainsi la répartition de la chauffe sur le matériau à fondre Il est ainsi également possible, comme représenté à droite sur la figure 2, de réaliser les conduits par une combinaison de trous forés 9 b et de rainures plus ou moins profondes 9 a, 9 a'. Comme sus-mentionné, la source de gaz vecteur 32 peut être un réservoir d'azote ou d'argon ou d'un mélange des deux. Avantageusement, selon l'invention, cette source de gaz vecteur 32 est constituée par une unité de séparation de gaz de l'air à adsorption ou perméation alimentée en air atmosphérique par un compresseur 35, le perméat, constitué d'air enrichi en oxygène, étant évacué en 36. A titre d'exemple, pour la formation de dépôt anti-corrosion par projection de zinc, avec un gaz vecteur constitué de 97 % d'azote et de 3 % d'oxygène et une projection de métal à débit massique d'environ 20 kg/heure, les paramètres sont les suivants gaz vecteur pression: 4,5-5 x 105 Pa débit de projection: 20-30 m 3/heure oxygène: pression 2-3 x 105 Pa gaz combustible débit: 1000-1200 litres/heure pression: composé "CRYLENE": 2 x 105 Pa composé "TETRENE": 2,5 x 105 Pa Dans ces conditions, le rendement de projection de zinc est amélioré d'environ 9 % par rapport à l'utilisation de propane et d'air comprimé. Quoique la présente invention ait été décrite en relation avec des modes de réalisation particuliers, elle ne s'en trouve pas limitée, mais est au contraire susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1 Procédé de formation de dépôt par projection d'un matériau d'apport sur un substrat, comprenant les étapes de fondre, par combustion d'un mélange oxycombustible, le matériau d'apport solide et de pulvériser et projeter le matériau d'apport fondu par un flux de gaz vecteur contenant au moins 80 % d'au moins un gaz inerte, caractérisé en ce que le gaz vecteur contient au moins 90 % d'au moins un gaz inerte. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz vecteur est constitué d'au moins 99 % d'au moins un gaz inerte. 3 Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le gaz inerte est l'argon. 4 Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le gaz inerte est l'azote. 5 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz vecteur comprend entre 1 et 10 % d'oxygène, le reste étant l'azote. 6 Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le gaz vecteur est fourni par une unité de séparation de l'air à adsorption ou perméation. 7 Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le mélange oxycombustible est réalisé par apport d'oxygène et d'un composé de propylène et de méthyl-acétylène. 8 Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le mélange oxycombustible est réalisé par apport d'oxygène et d'un composé d'éthylène et d'acétylène. 9 Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le mélange oxycombustible est éjecté, vers le matériau d'apport, suivant au moins deux séries de passages d'éjection décalées radialement. Dispositif de projection pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 9, comprenant une buse ( 1, 2) ayant un axe principal et comportant un passage central ( 8) d'amenée du matériau d'apport ( 15) débouchant par un orifice central ( 16) à une extrémité de la buse, une pluralité de conduits de mélange oxycombustible ( 9 a, 9 b) débouchant à l'extrémité de la buse par des ouvertures angulairement réparties autour de l'orifice central ( 16), et un passage annulaire ( 27) de gaz vecteur entourant l'extrémité de la buse ( 1, 2), caractérisé en ce que les ouvertures des conduits de mélange ( 9 a, 9 b) sont réparties suivant au moins deux séries décalées l'une de l'autre par rapport à l'axe principal. 11 Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que la buse comprend une partie centrale ( 1) définissant le passage central ( 8) et emmanchée dans une partie périphérique tubulaire ( 2), les conduits de mélange ( 9 a, 9 b) étant formés à l'interface entre les parties centrale ( 1) et périphérique ( 2) et débouchant par des ouvertures réparties en au moins une première et une deuxième séries, la distance entre l'axe principal et les ouvertures de la première série étant supérieure à la distance entre l'axe principal et les ouvertures de la deuxième série. 12 Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que les conduits de mélange ( 9 a, 9 b) sont formés par des rainures longitudinales fraisées dans la périphérie de la partie centrale ( 1). 13 Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que la partie périphérique ( 2) comprend un évidement tronconique ( 5) dont le profil intérieur correspond sensiblement au profil extérieur de la partie centrale ( 1). 14 Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que le profil intérieur de la partie périphérique ( 2) comporte, à son extrémité arrière, une chambre annulaire ( 7) avec un épaulement radial avant ( 6) formant butée pour une portion annulaire arrière de diamètre élargi ( 10) de la partie centrale formant l'extrémité arrière des rainures. Dispositif selon l'une des revendications 12 à 14, caractérisé en ce que les rainures ( 9 a, 9 b) ont un profil transversal diminuant de l'extérieur vers l'intérieur. 16 Dispositif selon l'une des revendications Il à 15, caractérisé en ce que l'ensemble de la partie centrale ( 1) et de la partie périphérique ( 2) est monté dans un logement étagé ( 13) d'un support cylindrique ( 3) et maintenu par un manchon d'extrémité ( 25) formant le passage de gaz vecteur ( 27).