Brevet FR2685922A1 — publié le 19930709

Buse coaxiale de traitement superficiel sous irradiation laser, avec apport de matériaux sous forme de poudre. La présente invention concerne la métallurgie, plus particulièrement les techniques de traitement de surface par revêtement ou réalisation d'alliages de surface, et a pour objet une buse de traitement superficiel avec apport de matériaux sous forme de poudre sous irradiation laser, de type coaxial. Le mode de fonctionnement d'une telle buse coaxiale consiste à injecter dans un faisceau laser de forte puissance traversant ladite buse, un ou des matériaux sous forme de poudre, également appelés matériaux de rechargement, véhiculé par un fluide, afin de réaliser, après fusion desdits matériaux, une couche de revêtement superficiel sur la pièce à traiter ou un alliage de surface avec le matériau constituant ladite pièce. Ce type de buse présente une structure permettant le libre passage du faisceau laser et l'amenée de matériaux sous forme de poudre de manière périphérique, autorisant des traitements multiaxiaux, suivant les trois dimensions spatiales. Néanmoins, la qualité du traitement obtenue par l'intermédiaire d'une telle buse dépend notamment de la quantité et des propriétés intrinsèques de la poudre amenée dans le faisceau laser incident et de son interaction avec ledit faisceau, ainsi que de la forme du jet résultant à la sortie de la buse. En outre, la possibilité de mettre en forme le jet à la sortie de la buse permet, d'une part, de faire varier différents paramètres de traitement tels que la zone d'application, et l'intensité du traitement, la répartition des particules dans la zone d'impact, etc., et, d'autre part, d'augmenter le rendement calorimétrique de l'opération, en couplant de façon optimale le jet de matériaux de rechargement avec le faisceau laser incident. Or, actuellement, les matériaux de rechargement sont généralement injectés dans le faisceau laser de manière empirique, sans mettre en oeuvre des dispositifs d'amenée spécifiques, ni présenter des moyens de mise en forme du jet émis. I1 en résulte qu'une part importante des matériaux de rechargement n'est pas irradiée par le faisceau laser incident et n'intervient donc pas dans le traitement de surface réalisé. De plus, la forme du jet ainsi que la répartition des particules dans ledit jet, dépendant directement du dispositif d'injection de matériaux de rechargement, ne peut, en aucun cas, être contrôlée. La présente invention a pour but de pallier l'ensemble des inconvénients précités. A cet effet, elle a pour objet une buse coaxiale de traitement superficiel sous irradiation laser, avec apport de matériaux sous forme de poudre, caractérisée en ce qu'elle est essentiellement constituée, d'une part, par un corps de buse pourvu d'un passage tronconique effilé en direction de la sortie de la buse suivant l'axe de propagation du faisceau laser et, d'autre part, par un dispositif d'injection coaxiale et de guidage de matériaux sous forme de poudre véhiculés par un fluide de transport dans ledit corps de buse en vue d'améliorer l'interaction entre le faisceau laser incident et les matériaux sous forme de poudre. L'invention sera mieux comprise grâce à la description ci-après, qui se rapporte à des modes de réalisation préférés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et expliqués avec référence aux dessins schematiques annexés, dans lesquels: la figure 1 est une vue en élévation latérale et en coupe d'une buse de traitement conforme à l'invention; la figure 2 est une vue en coupe selon A-A de la buse de traitement représentée partiellement à la figure 1; la figure 3 est une vue en coupe selon B-B de la buse de traitement représentée partiellement à la figure 1, suivant une variante de réalisation de l'invention, et, les figures 4, 5 et 6 sont des photographies des jets émis par la buse de traitement selon l'invention. Conformément à l'invention, et comme le montre notamment la figure 1 des dessins annexés, la buse de traitement est essentiellement constituée, d'une part, par un corps de buse 1 pourvu d'un passage tronconique 2 effilé en direction de la sortie de la buse 3 suivant l'axe de propagation 6' du faisceau laser 6 et, d'autre part, par un dispositif 4 d'injection coaxiale et de guidage de matériaux 5 sous forme de poudre véhiculé par un fluide de transport dans ledit corps de buse 1 en vue d'améliorer l'interaction entre le faisceau laser incident 6 et les matériaux 5 sous forme de poudre injectés et de permettre l'épanouissement du faisceau laser Selon une première caractéristique de l'invention, représentée aux figures 1 et 2 des dessins annexés, le dispositif 4 d'injection coaxiale et de guidage est principalement composé d'un ou plusieurs orifices 7, 8 d'injection tangentielle et/ou radiale débouchant dans une chambre d'injection 9 délimitée par la paroi interne 10 du corps de buse i et d'une bague de cloisonnement i1 tronconique, montée sur le corps de buse 1 et disposée essentiellement de manière coaxiale, dans le passage 2 dudit corps de buse 1. La chambre d'injection 9 comprend, avantageusement, une chambre circonférentielle 12 d'homogénéisation dans laquelle aboutissent les orifices 7, 8 d'injection, prolongée par un espace annulaire tronconique 13 pour le guidage du matériau 5 sous forme de poudre injecté, débouchant à proximité de la sortie de buse 3. Ainsi, les matériaux 5 de rechargement véhiculés par un fluide de transport sont amenés à proximité immédiate du faisceau laser 6 et sont introduits de manière circonférentielle et uniforme dans celui-ci permettant de constituer une surface d'interface maximale et de favoriser au mieux l'intégration du jet de matériaux 5 dans le faisceau laser 6. En outre, la répartition des matériaux 5 sous forme de poudre dans le fluide de transport est uniformisée du fait de leur passage dans la chambre circonférentielle 12, favorisant l'interaction entre le jet diphasique de matériaux 5 émis et le faisceau laser incident 6 et augmentant, par conséquent, la qualité du traitement réalisé. Comme le montre plus particulièrement la figure 2 des dessins annexés, le dispositif 4 d'injection coaxiale et de guidage comporte, préférentiellement, deux orifices 7 d'injection tangentielle et deux orifices 8 d'injection radiale, répartis de manière uniforme et en opposition deux à deux sur le pourtour du corps de buse 1. La possibilité de pouvoir mettre en oeuvre, alternativement, soit un mode d'injection radiale, soit un mode d'injection tangentielle, ce en fonction notamment de la nature ou du débit massique des matériaux 5 sous forme de poudre, permet de modifier dans de larges proportions la morphologie du jet de matériaux 5 issu de la buse de traitement et de la distribution des particules en son sein. La géométrie de la buse de traitement conforme à l'invention peut être caractérisée, pour l'essentiel, par les valeurs de demi-angle a du cône d'ejection, du diamètre moyen D de l'anneau d'injection et de la largeur l dudit anneau, déterminées par la taille et la configuration du passage tronconique 2 du corps de buse 1 et de la bague de cloisonnement 11 (Figure 1). Une interaction optimale entre le jet de matériaux S sous forme de poudre et le faisceau laser incident 6 a été obtenue, pour la buse de traitement représentée à la figure 1 des dessins annexés, pour une valeur de demi-angle du cône d'injection a comprise entre 150 et 20, préférentiellement égale à 170, une valeur de diamètre moyen de l'anneau d'injection D comprise entre 4 millimètres et 10 millimètres, préférentiellement égale à 7 millimètres, et une largeur 1 d'anneau d'injection comprise entre 0,5 millimètre et 2,0 millimètres, préférentiellement égale à 0,8 millimètre. En autre, et conformément à une autre caractéristique de l'invention, le fluide de transport est avantageusement un gaz, préférentiellement inerte tel que l'hélium ou l'argon, dont le débit volumique, dans les conditions standards, est compris entre 1,5 x 10-5 et 35 x 10-5 m3/s, ce en fonction de la nature des matériaux 5. A titre d'exemple, lorsque les matériaux 5 consistent en des particules de matériau connu sous la désignation Stellite grade 6, ce dernier peut avantageusement être appliqué sur un subjectile par l'intermédiaire d'une buse de traitement présentant un demi-angle de cône d'injection de l'ordre de 17 et un diamètre moyen de l'anneau d'injection de l'ordre de 7 mm, l'épaisseur de l'anneau d'injection étant de 0,8 mm. Dans ce cas, le fluide de transport est préférentiellement de l'argon présentant un débit volumique de 6 x 10-5 m3/s. Afin de pouvoir modifier la morphologie du jet de matériau 5 à la sortie de la buse 3 au cours d'une opération de traitement, en agissant sur la zone Z dite "zone morte", située à proximité de la sortie de la buse 3 et caractérisée par une vitesse d'écoulement nulle, la buse de traitement selon l'invention comporte, en outre, un dispositif 14 d'injection d'un fluide de confinement 15 en surpression ou de génération d'une dépression dans ladite buse de traitement, permettant de mettre en forme le jet de matériaux 5 résultant indépendamment de la configuration géométrique de ladite buse de traitement et d'optimiser l'interaction entre les matériaux 5 sous forme de poudre injectés et le faisceau laser 6, par réduction de ladite "zone morte". Ce dispositif 14 se présente, essentiellement, comme le montre la figure 1 des dessins annexés, sous la forme d'une seconde bague de cloisonnement 16 tronconique montée sur la buse de traitement et s'étendant essentiellement, de manière coaxiale, dans la première bague de cloisonnement 11 de manière à constituer une chambre de confinement 17 circonférentielle, reliée à des orifices d'injection 18 et prolongée par un espace de guidage 19, de structure tronconique, débouchant non loin de la sortie de la buse 3 à l'intérieur de la première bague de cloisonnement 11. L'injection, sous des pressions et des débits donnés, d'un fluide de confinement 15, par exemple un gaz, ou la génération par aspiration d'une dépression d'intensité donnée dans la buse de traitement, par l'intermédiaire du dispositif 14 entraîne une focalisation du jet de matériau 5 à la sortie de la buse 3 dans le faisceau laser 6 et une limitation de la dispersion des particules de matériaux 5 hors dudit faisceau. L'influence de la mise en oeuvre du dispositif 14 est nettement visible sur les figures 4 à 6 des dessins annexés qui représentent la morphologie d'un jet de matériaux 5 obtenu à la sortie d'une buse de traitement, respectivement, sans mise en oeuvre du dispositif 14 (Fig. 4) et avec injection d'un fluide de confinement 15 en surpression (Fig. 5) ou en dépression (Fig. 6). Conformément à une caractéristique de l'invention, les première et seconde bagues de cloisonnement 11 et 16 peuvent être réalisées d'une seule pièce, l'espace de guidage 19 tronconique pouvant se présenter sous la forme d'une pluralité de canaux 20 s'étendant entre les deux bagues de cloisonnement 11 et 16 (Figure 3). Selon une variante de réalisation de l'invention, représentée à la figure 2 des dessins annexés, l'espace de guidage 19 tronconique se présente sous la forme d'un espace annulaire continu s'étendant entre les deux bagues de cloisonnement 11 et 16. En vue de limiter la montée en température de la buse de traitement, le corps de buse 1 est pourvu, dans sa partie inférieure près de la sortie de la buse 3, d'un conduit annulaire circonférentiel 21 parcouru par un liquide de refroidissement. Conformément à une caractéristique supplémentaire de l'invention, représentée à la figure 1 des dessins annexés, la bague de cloisonnement et/ou le corps de buse 1 comportent des embouts amovibles 22, 22', réalisés en un matériau pouvant résister à des contraintes thermiques importantes. Grâce à l'invention, il est donc possible de réaliser une buse coaxiale de traitement superficiel sous irradiation laser, avec apport de matériaux sous forme de poudre permettant de réaliser des traitements multidirectionnels variables et contrôlés, en optimisant l'interaction entre les matériaux sous forme de poudre injectés et le faisceau laser 6 et en mettant en forme le jet résultant en fonction du traitement à réaliser. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés aux dessins annexés. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments, ou par substitution des divers éléments, ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention. REVENDICATIONS 1. Buse coaxiale de traitement superficiel sous irradiation laser, avec apport de matériaux sous forme de poudre, caractérisée en ce qu'elle est essentiellement constituée, d'une part, par un corps de buse (1) pourvu d'un passage tronconique (2) effilé en direction de la sortie de la buse (3) suivant l'axe de propagation (6') du faisceau laser (6) et, d'autre part, par un dispositif (4) d'injection coaxiale et de guidage de matériaux (5) sous forme de poudre véhiculés par un fluide de transport dans ledit corps de buse (1) en vue d'améliorer l'interaction entre le faisceau laser incident (6) et les matériaux (5) sous forme de poudre. 2. Buse selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif (4) d'injection coaxiale et de guidage est principalement composé d'un ou plusieurs orifices (7, 8) d'injection tangentielle et/ou radiale débouchant dans une chambre d'injection (9) délimitée par la paroi interne (10) du corps de buse (1) et d'une une bague de cloisonnement (11) tronconique, montée sur le corps de buse (1) et disposée essentiellement, de manière coaxiale, dans le passage (2) dudit corps de buse (1). 3. Buse selon la revendication 2, caractérisée en ce que la chambre d'injection (9) comprend une chambre circonférentielle (12) d'homogénéisation dans laquelle aboutissent les orifices (7, 8) d'injection, prolongée par un espace annulaire tronconique (13) pour le guidage des matériaux (5) sous forme de poudre injectés, débouchant à proximité de la sortie de buse (3). 4. Buse selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisée en ce que le dispositif (4) d'injection coaxiale et de guidage comporte, préférentiellement, deux orifices (7) d'injection tangentielle et deux orifices (8) d'injection radiale, répartis de manière uniforme et en opposition deux à deux sur le pourtour du corps de buse (1). 5. Buse selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce qu'elle présente une valeur de demi-angle du cône d'injection (cr) comprise entre 15 et 200, préférentiellement égale à 170, une valeur de diamètre moyen de l'anneau d'injection (D) comprise entre 4 millimètres et 10 millimètres, préférentiellement égale à 7 millimètres, et une largeur (1) d'anneau d'injection comprise entre 0,5 millimètre et 2,0 millimètres, préférentiellement égale à 0,8 millimètre. 6. Buse selon la revendication 5, caractérisée en ce que le fluide de transport est un gaz, préférentiellement inerte tel que l'hélium ou l'argon, dont le débit volumique, dans les conditions standards, est compris entre 1,5 x 10-5 et 35 x 10 5 m3/s. 7. Buse selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle comporte, en outre, un dispositif (14) d'injection d'un fluide de confinement (15) en surpression ou de génération d'une dépression dans ladite buse de traitement, permettant de mettre en forme de jet de matériaux (5) résultant indépendamment de la configuration géométrique de ladite buse de traitement et d'optimiser l'interaction entre les matériaux (5) sous forme de poudre injectés et le faisceau laser (6). 8. Buse selon la revendication 7, caractérisée en ce que le dispositif (14) se présente essentiellement sous la forme d'une seconde bague de cloisonnement (16) tronconique montée sur la buse de traitement et s'étendant essentiellement, de manière coaxiale, dans la première bague de cloisonnement (11) de manière à constituer une chambre de confinement (17) circonférentielle, reliée à des orifices d'injection (18) et prolongée par un espace de guidage (19), de structure tronconique, débouchant non loin de la sortie de la buse (3), à l'intérieur de la première bague de cloisonnement (11). 9. Buse selon la revendication 8, caractérisée en ce que les première et seconde bagues de cloisonnement (11 et 16) sont réalisées d'une seule pièce. 10. Buse selon l'une quelconque des revendications 8 et 9, caractérisée en ce que l'espace de guidage (19) tronconique se présente soit sous la forme d'un espace annulaire continu, soit sous la forme d'une pluralité de canaux (20) , s'étendant entre les deux bagues de cloisonnement (11 et 16) éventuellement réalisées d'une seule pièce. 11. Buse selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que le corps de buse (1) est pourvu, dans sa partie inférieure près de la sortie de la buse (3), d'un conduit annulaire circonférentiel (21) parcouru par un liquide de refroidissement. 12. Buse selon l'une quelconque des revendications 2 à 11, caractérisée en ce que la bague de cloisonnement (11) et/ou le corps de buse (1) comportent des embouts amovibles (22, 22'), réalisés en un matériau pouvant résister à des contraintes thermiques importantes.