Brevet FR2674450A1 — publié le 19921002

La présente Invention concerne un procédé pour déposer un revêtement sur un substrat par projection au plasma, du type consistant à créer un arc électrique dans une chambre entre une cathode et une anode, à introduire un gaz porteur inerte dans la chambre afin qu'il soit ionisé à son passage au travers de l'arc électrique pour former un plasma à haute température, à injecter sous forme pulvérulente le matériau constitutif du revêtement à l'intérieur du plasma pour faire fondre les particules du matériau, et à éjecter à l'extérieur de la chambre le plasma chargé des particules fondues au travers d'une buse d'éjection dont l'orifice de sortie est en forme de fente afin de projeter les particules sur le substrat et former sur celui-ci le dépôt d'une couche du revêtement.15 Parmi les techniques de pulvérisation utili- sées pour former le dépôt d'un revêtement sur un sub- strat, la technique précitée par projection au plasma offre certains avantages, notamment celui de pouvoir atteindre de hautes températures (de l'ordre de 5 000 à 15 000 C) et d'obtenir des densités d'énergie spéci- fiques qui permettent de faire fondre tout matériau qui a une phase de fusion stable Il est ainsi possible d'appliquer notamment cette technique aux céramiques qui ont des points de fusion élevés. Toutefois, les dispositifs de projection au plasma actuellement utilisés ont des possibilités limi- tées du fait des contraintes inhérentes au principe de leur fonctionnement, qui ne permettent d'obtenir que cer- taines formes de projection, essentiellement coniques, entre la sortie de la buse et le substrat à revêtir. Il en résulte que la surface projetée sur le substrat ne peut pas avoir une forme polygonale, en par- ticulier rectangulaire En outre, pour certaines applica- tions et dans le but de limiter le nombre de passes né- cessaires au dépôt d'un revêtement d'une épaisseur déter- 2 minée, il serait souhaitable de pouvoir élargir la couche déposée à chaque passe. On a donc cherché à pallier ces limitations pour essayer d'obtenir d'autres formes de projection avec, si possible, augmentation de la largeur de la couche déposée après chaque passe. Or, dans un article intitulé "BUSE DE PROJEC- TION AU PLASMA AVEC ORIFICE DE SORTIE EN FORME DE FENTE" paru en 1979 dans la revue anglaise "WELDING PRODUCTION",10 vol 26, N'12, pages 32-37, une étude tend à montrer qu'une augmentation du diamètre de l'orifice de sortie de la buse d'éjection n'entraîne en réalité qu'une très lé- gère augmentation de la largeur de la couche déposée, à condition toutefois de prévoir au moins deux entrées dia-15 métralement opposées d'injection du matériau pulvérulent dans la buse En outre, l'augmentation du diamètre de l'orifice de sortie de la buse est de toute manière limi- tée, car elle entraîne un abaissement de la température du jet de plasma qui peut être nuisible au passage à l'état fondu des particules du matériau injectées dans le plasma En conclusion, cet article propose un compromis qui consiste à donner une forme de fente à l'orifice de sortie de la buse d'éjection et à prévoir deux entrées diamétralement opposées d'injection du matériau pulvéru- lent à l'intérieur de la buse. Néanmoins, selon la Demanderesse, une telle solution n'est pas sans présenter des inconvénients En effet, le passage d'une forme cylindrique à une forme tronconique entre la sortie de la chambre et l'entrée de la buse d'éjection, entraîne des modifications dans la vitesse d'écoulement du plasma qui ne permettent pas d'obtenir le dépôt d'une couche ayant en tout point des caractéristiques uniformes Concrètement, la Demanderesse considère que ces inconvénients sont inhérents au fait que le gaz porteur introduit dans la chambre s'écoule coaxialement à l'arc électrique créé entre la cathode et 1 'anode. D'une manière générale, l'Invention a pour but de perfectionner un tel procédé de projection au plasma afin de pallier les inconvénients précités tout en procu- rant d'autres avantages. A cet effet, l'Invention propose un procédé du type précité qui se caractérise en ce qu'il consiste à créer un arc électrique entre l'anode et la cathode sui- vant un axe sensiblement parallèle à l'axe de la fente de sortie de la buse d'éjection, et à introduire le gaz por- teur des particules du revêtement suivant plusieurs di- rections par rapport à l'axe de l'arc électrique. Selon une autre caractéristique du procédé conforme à l'Invention, le gaz porteur est introduit à l'intérieur de la chambre suivant au moins des directions radiales réparties autour et le long de la chambre qui s'étend parallèlement à la fente et sur une longueur sen- siblement égale à celle-ci. L'Invention concerne également un dispositif de mise en oeuvre du procédé conforme à l'Invention du type comprenant au moins une chambre avec une cathode et une anode, des moyens pour créer un arc électrique à l'intérieur de la chambre entre la cathode et l'anode, au moins un conduit d'arrivée d'un gaz porteur ionisable par l'arc électrique pour former un plasma à haute tempéra- ture, une buse d'éjection avec un orifice de sortie en forme de fente et un orifice d'entrée qui communique avec la chambre, au moins un conduit d'arrivée d'un matériau pulvérulent qui débouche à l'intérieur de la buse, dispositif caractérisé en ce que la chambre est de forme allongée avec deux surfaces d'extrémité par lesquelles font respectivement saillie la cathode et l'anode axiale- ment alignées l'une avec l'autre pour créer un arc élec- trique suivant un axe sensiblement parallèle à l'axe de la fente de sortie de la buse d'éjection, et plusieurs conduits d'arrivée de gaz porteur qui débouchent à l'intérieur de la chambre suivant plusieurs directions par rapport à l'axe de l'arc électrique. Selon une autre caractéristique du dispositif conforme à l'Invention, la chambre s'étend parallèlement et sur une longueur sensiblement égale à celle de la fente de la buse d'éjection, la buse étant divergente et présentant en section transversale une forme tronconique avec un orifice d'entrée également en forme de fente qui communique avec la chambre sur toute la longueur de celle-ci. Ainsi, avec un tel procédé perfectionné de projection au plasma, il est possible de déposer des bandes de revêtement plus larges que celles obtenues au- paravant, avec des qualités de dépôt uniformes en tout de la surface de chaque bande déposée. Les revêtements ainsi réalisées assurent le plus souvent une fonction de protection du substrat contre l'environnement ambiant A l'heure actuelle, bon nombre d'applications dans la plupart des domaines de l'industrie (aérospatiale, automobile, électronique,) nécessitent la fabrication de matériels et/ou composants qui doivent fonctionner dans un environnement protégé. Or, les perfectionnements apportés par l'Invention sont de nature à améliorer en particulier cette fonction de protection, notamment grâce à la possi- bilité qui est offerte d'appliquer cette technique de pulvérisation à des matériaux à point de fusion élevé En outre, selon l'Invention, il est possible d'obtenir des formes de projection qui ne sont pas des surfaces de ré- volution, tout en conférant au revêtement des propriétés uniformes en tout point de sa surface et correspondant aux paramètres caractéristiques suivants donnés à titre d'exemple: la microstructure, l'épaisseur, la dureté, la ténacité, la résistance d'adhésion, la porosité, la ré- sistance à l'usure la rigidité diélectrique, l'isolation thermique, la résistance à la corrosion, à l'abrasion, Des revêtements avec au moins certaines de ces caracté- ristiques satisfaites de manière précise et uniforme, sont de plus en plus demandés, notamment dans l'industrie aérospatiale, et de manière plus générale dans la plupart des domaines de l'industrie, le mot industrie étant pris dans son sens le plus large. D'autres avantages, caractéristiques et dé- tails ressortiront de la description explicative qui va suivre faite en référence au dessin annexé donné unique- ment à titre d'exemple et dans lequel: la figure 1 est une vue en coupe schématique d'un dis- positif de pulvérisation fonctionnant suivant un procédé classique de projection au plasma,15 la figure 2 est une vue en perspective schématique d'un dispositif de mise en oeuvre du procédé conforme à l'Invention, et la figure 3 est une vue de principe schématique mon- trant les différentes directions d'introduction du gaz porteur dans la chambre. Le dispositif tel que schématiquement repré- senté à la figure 1 permet de mettre en oeuvre un procédé de pulvérisation classique de dépôt d'un revêtement sur un substrat par projection au plasma. Une anode 1 en cuivre par exemple de forme an- nulaire délimite une chambre 2 dont les deux surfaces d'extrémité forment respectivement l'entrée et la sortie de la chambre L'entrée de la chambre 2 s'évase vers l'extérieur, et sa sortie se prolonge par une buse d'éjection 3 avec un orifice de sortie 4 de section cir- culaire. Une cathode 5 sous la forme d'un bâton généra- lement en tungstène thorié est axialement alignée avec l'anode 1, avec une extrémité libre qui pénètre dans la partie évasée formant l'entrée de la chambre 2. Un conduit 10 débouche au voisinage de la ca- thode 5 pour introduire suivant l'axe de la chambre 2 un gaz ionisable ou gaz porteur. Un conduit 12 débouche radialement dans la buse d'éjection 3 pour injecter à l'intérieur de celle-ci un matériau sous forme pulvérulente. Le dispositif est complété par une source de courant continu 14 reliée aux électrodes 1 et 5, des moyens de refroidissement (non représentés) de l'anode 1, et des moyens complémentaires pour satisfaire et optimi- ser les conditions de fonctionnement nécessaires à la mise en oeuvre d'un tel procédé de pulvérisation, comme par exemple la présence d'un champ magnétique pour posi- tionner, stabiliser et resserrer le jet de plasma à l'intérieur de la chambre 2, ce champ magnétique étant par exemple obtenu au moyen d'une bobine 15 montée autour de l'anode 1. Selon le procédé mis en oeuvre par un tel dis- positif, on créé un arc électrique entre la cathode 5 et l'anode 1, on introduit le gaz porteur coaxialement à l'arc électrique et son passage à travers celui-ci en- traîne son ionisation créant ainsi un plasma à haute tem- pérature à l'intérieur de la chambre 2 Ce plasma s'écoule à l'intérieur de la chambre 2 et est accéléré au travers de la buse d'éjection 3 Les particules du maté- riau pulvérulent amenées par le conduit 12 sont injectées dans le jet de plasma s'écoulant à l'intérieur de la buse 3, et elles fondent sous l'action de la haute température du jet de plasma Les particules ainsi fondues sont éjec- tées par l'orifice de sortie de la buse et projetées sur le substrat 17 pour former une couche de revêtement 18. Les perfectionnements apportés selon l'Invention sont schématiquement illustrés aux figures 2 et 3. La chambre 2 et la buse d'éjection 3 ne sont plus coaxialement alignées comme précédemment, et l'orifice de sortie 4 de la buse est en forme de fente. Plus précisément, la chambre 2 s'étend parallèlement à la fente de sortie 4 de la buse d'éjection 3 et sur une lon- gueur sensiblement égale à celle de la fente La buse d'éjection 3 est divergente et présente en section trans- versale une forme en tronc de cône, avec une fente d'entrée 6 qui débouche dans la chambre 2 sur toute la longueur de celle-ci. La chambre présente deux surfaces d'extrémité planes 2 a et 2 b respectivement traversées par l'anode 1 et la cathode 5 Ces deux électrodes 1 et 5 sont chacune en forme de bâton, et elles sont axialement alignées l'une avec l'autre D'une manière similaire au dispositif représenté à la figure 1, les électrodes 1 et 5 sont re- liées à une source de courant continu, la chambre 2 est entourée par une bobine 15 et des moyens de refroidisse- ment (non représentés) entourent la chambre 2. Le gaz porteur est introduit dans la chambre 2 par un ensemble d'orifices répartis autour et le long de la chambre Plus précisément, dans l'exemple considéré ici, il est prévu au moins trois rangées 20 a, 20 b et 20 c d'orifices 20 Les rangées 20 a et 20 b sont diamétralement opposées et situées respectivement de part et d'autre de la fente d'entrée 6 de la buse d'éjection 3, alors que la rangée 20 c est diamétralement opposée à cette fente d'entrée. Ainsi, d'une manière imagée, les directions d'introduction Fl du gaz porteur dans la chambre 2 et la direction F 2 de sortie du plasma forment globalement une croix grecque à quatre branches (figure 3). Chaque orifice 20 d'une même rangée 20 a, 20 b et 20 c est relié par un conduit de liaison 21 à un conduit intermédiaire 22 qui communique avec un conduit principal 23 relié à une source d'alimentation (non re- présentée) en gaz porteur. Selon le dispositif conforme à l'Invention, il peut être avantageusement prévu l'utilisation d'électrodes tubulaires 1 et 5, de manière à introduire également le gaz porteur au travers de ces électrodes. Enfin, le dispositif est complété par plu- sieurs conduits 12 qui débouchent dans la buse d'éjection 3 pour y injecter le matériau pulvérulent Ces conduits 12 sont par exemple alignés suivant deux rangées opposées 12 a et 12 b qui s'étendent parallèlement à la fente de sortie 4 de la buse d'éjection 4 (figure 2). Le dispositif conforme à l'Invention reprend d'une manière générale l'ensemble des moyens nécessaires à la mise en oeuvre d'un procédé de pulvérisation clas- sique par projection au plasma, mais selon des disposi- tions et des formes différentes. En fonctionnement, l'arc électrique créé entre les électrodes 1 et 5 s'étend sensiblement suivant l'axe de la chambre 2, c'est-à-dire parallèlement à la fente de sortie 4 de la buse, et le gaz porteur est introduit dans la chambre suivant plusieurs directions réparties notam- ment le long et autour de la chambre et qui convergent radialement et non coaxialement vers l'axe de l'arc élec- trique et le long de celui-ci. Bien entendu, l'Invention n'est nullement li- mitée au mode de réalisation décrit précédemment et donné uniquement à titre d'exemple En particulier, l'homme du métier peut envisager des dispositifs selon des variantes sans sortir du cadre de l'Invention dès l'instant o ces dispositifs mettent en oeuvre le procédé selon l'Invention. REVENDICATIONS 1 Procédé pour déposer un revêtement sur un substrat par projection au plasma, du type consistant à créer un arc électrique dans une chambre entre une ca- thode et une anode, à introduire un gaz porteur inerte dans la chambre afin qu'il soit ionisé au passage au tra- vers de l'arc électrique pour former un plasma à haute température, à injecter sous forme pulvérulente le maté- riau constitutif du revêtement à l'intérieur du plasma pour faire fondre les particules du matériau, et à éjec- ter à l'extérieur de la chambre le plasma chargé de par- ticules fondues au travers d'une buse d'éjection dont l'orifice de sortie est en forme de fente afin de proje- ter les particules sur le substrat et former sur celui-ci un revêtement, caractérisé en ce qu'il consiste à créer un arc électrique entre l'anode et la cathode suivant un axe sensiblement parallèle à l'axe de la fente de sortie de la buse d'éjection, et à introduire le gaz porteur des particules du revêtement suivant plusieurs directions par rapport à l'axe de l'arc électrique. 2 Procédé selon la Revendication 1, caracté- risé en ce qu'il consiste à introduire le gaz porteur à l'intérieur de la chambre suivant des directions radiales réparties autour et le long de la chambre qui s'étend pa- rallèlement à la fente et sur une longueur sensiblement égale à celle-ci. 3 Dispositif de mise en oeuvre du procédé tel que défini par l'une des Revendications précédentes, du type comprenant au moins une chambre ( 2) avec une cathode ( 5) et une anode ( 1), des moyens pour créer un arc élec- trique à l'intérieur de la chambre ( 2) entre la cathode ( 5) et l'anode ( 1), au moins un conduit d'arrivée d'un gaz porteur ionisable par l'arc électrique pour former un plasma à haute température, une buse d'éjection ( 3) avec un orifice de sortie en forme de fente ( 4) et un orifice d'entrée ( 6) qui communique avec la chambre ( 2), au moins un conduit ( 21) d'arrivée d'un matériau pulvérulent qui débouche à l'intérieur de la buse ( 3), dispositif carac- térisé en ce que la chambre ( 2) est de forme allongée avec deux surfaces aux extrémités par lesquelles font respectivement saillie la cathode ( 5) et l'anode ( 1) axialement alignées l'une avec l'autre pour créer un arc électrique suivant un axe sensiblement parallèle à l'axe de la fente de sortie ( 4) de la buse d'éjection ( 3), et plusieurs conduits ( 21) d'arrivée de gaz porteur qui dé- bouchent à l'intérieur de la chambre ( 2) suivant plu- sieurs directions (Fl) par rapport à l'axe (A) de l'arc électrique. 4 Dispositif selon la Revendication 3, carac- térisé en ce que la chambre ( 2) s'étend parallèlement et sur une longueur sensiblement égale à celle de la fente ( 4) de la buse d'éjection ( 3), celle-ci étant divergente et présente en section transversale une forme tronconique avec une fente d'entrée ( 6) qui communique avec la chambre ( 2) sur toute la longueur de celle-ci. 5 Dispositif selon la Revendication 4, carac- térisé en ce que les conduits ( 21) d'arrivée de gaz por- teur débouchent dans la chambre par des orifices ( 20) qui sont répartis sur plusieurs rangées ( 20 a, 20 b, 20 c). 6 Dispositif selon la Revendication 5, carac- térisé en ce qu'il comprend trois rangées d'orifices ( 20), les rangées ( 20 a, 20 b) étant diamétralement oppo- sées et situées de part et d'autre de la fente d'entrée ( 6) de la buse d'éjection ( 3), alors que la rangée ( 20 c) est diamétralement opposée à ladite fente d'entrée ( 6). 7 Dispositif selon l'une quelconque des Revendications 3 à 6, caractérisé en ce que la cathode ( 5) et l'anode ( 1) sont creuses, et en ce que le gaz por- teur est également introduit à l'intérieur de la chambre ( 2) au travers de ces électrodes ( 1,5). 8 Dispositif selon l'une quelconque des Revendications 3 à 7, caractérisé en ce que plusieurs 11 conduits ( 12) d'arrivée de matériau pulvérulent débou- chent dans la buse d'éjection ( 3). 9 Dispositif selon la Revendication 8, carac- térisé en ce que les conduits ( 12) sont disposés suivant deux rangées ( 12 a, 12 b) opposées.