Brevet FR2696759A1 — publié le 19940415

Procédé de nitruration d'une pièce en alliage de titane et dispositif de projection d'azote et de gaz neutre. La présente invention concerne un procédé de nitruration d'une pièce en alliage de titane. La nitruration permet de durcir superficiellement les pièces métalliques. Il existe plusieurs procédés de durcissement réalisés dans des milieux statiques c'est-à-dire sans mouvement notable Il y a notamment la nitruration au gaz, au bain de10 sels, à la poudre et la nitruration ionique Plus récemment une technique d'implantation ionique a été proposée. Ces procédés permettent un durcissement d'une couche de 1 à 2 dixièmes de mm pour les alliages de titane. Il existe également un procédé non statique dans lequel on dirige sur la pièce un faisceau laser mobile relativement par rapport à la pièce, on projette un jet d'azote sur la pièce dans une direction fixe par rapport à la direction du faisceau laser et on projette un gaz neutre sur la pièce.20 Dans ce procédé, le faisceau laser est très défocalisé pour chauffer une zone de la pièce sans qu'elle soit refroidie en surface Le jet d'azote et le faisceau laser convergent sur la pièce si bien que le faisceau laser sert également à chauffer l'azote. Grâce à ce procédé on a obtenu un durcissement sur un dixième de mm d'une pièce en alliage de titane. Le procédé selon l'invention permettant d'obtenir un durcissement sur une beaucoup plus grande épaisseur ( 1 à 2 mm) est caractérisé en ce qu'on obtient une légère fusion superficielle de la zone touchée par le laser et en ce qu'on projette l'azote sous forte pression juste derrière la zone touchée par le faisceau laser de façon que l'azote pénètre dans la zone touchée alors qu'elle est devenue pâteuse, et en ce qu'on projette le gaz neutre autour de la projection35 d'azote de façon que la projection recouvre en débordant de la zone touchée par laser. Dans le procédé selon l'invention le faisceau laser n'est que légèrement défocalisé et fait refondre la zone touchée. Le jet d'azote ne converge pas avec le faisceau laser dans la zone touchée mais il vient frapper cette zone alors qu'elle est devenue pâteuse et on obtiendra alors une proportion atomes N atomes Ti de 15 à 35 % ce qui est nécessaire pour avoir une bonne dureté ( 800 HV) sans aboutir à une pellicule cassante. Le jet d'azote est sous forte pression ( 4 à 12 bars) de façon à pénétrer dans la zone pâteuse de profondeur 1 à 2 mm. Le gaz neutre écarte l'oxygène de la zone traitée; de plus, le jet de gaz neutre sous faible pression ( 1 à 2 bars) entraîne le jet d'azote si bien que l'azote diffuse légèrement dans le gaz neutre ce qui diminue la formation superficielle de dendrites qui fragilisent la surface. Le contact entre le jet d'azote rapide et le jet périphérique lent de gaz neutre met ce dernier en tourbillons ce qui améliore le balayage de l'oxygène. La présente invention concerne également un dispositif de projection d'azote et de gaz neutre qui permette la diffusion du jet d'azote à sa périphérie dans la projection de gaz neutre et une mise en tourbillons du gaz neutre par25 le jet d'azote. Le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte un tube central servant à véhiculer l'azote et un conduit symétrique de révolution autour de l'axe du tube central dont les parois interne et externe sont30 coniques la paroi interne venant s'appuyer sur le tube central et la paroi externe dépassant l'extrémité du tube et terminée par une partie divergente ledit conduit servant a véhiculer le gaz neutre. L'invention va maintenant être décrite plus en détail en se référant à un mode de réalisation particulier cité à titre d'exemple non limitatif et représenté par des dessins annexés. La figure 1 représente les moyens nécessaires à l'application du procédé selon l'invention. La figure 2 représente une coupe de la figure 1. La figure 3 représente un dispositif de projection d'azote et de gaz neutre. La figure 4 représente une vue détaillée de la figure 3. Dans le procédé selon l'invention on utilise un laser de puissance 1 (par exemple laser C 02 ou YAG) dont le faisceau 2 frappe à la verticale une pièce 3 en alliage de titane située à courte distance du laser 1 (inférieure à 40 mm) (voir figures 1 et 2) La pièce 3 a une dureté de 300 HV environ Le faisceau 2 est légèrement défocalisé et cette défocalisation ainsi que la puissance et la vitesse de déplacement de la pièce 3 (dans le sens de la flèche) sont réglées de façon qu'on obtienne une légère fusion superficielle du substrat dans une zone 4 en forme de20 pastille de diamètre 2 à 3 mm et de profondeur 1 à 2 mm. On projette à l'aide d'un tube cylindrique 5 de petit diamètre ( 2 à 5 mm), type gicleur, de l'azote sous forte pression juste derrière la zone 4 Le tube 5 est incliné de 30 à 60 par rapport à la verticale et de préférence à 45 *. Autour du tube 5 est disposé une enveloppe 6 de même axe que le tube 5 et l'espace 7 situé entre tube 5 et enveloppe 6 est alimenté en gaz neutre, hélium ou de préférence argon, sous faible pression ( 1 à 2 bars). L'enveloppe 6 se prolonge plus loin que l'extrémité 7 du tube 5 et est terminée par un convergent suivi d'un divergent 8. L'argon est mis en tourbillons et recouvre en la débordant la zone 5. L'argon est indispensable pour neutraliser l'oxygène de l'air ambiant lors de la fusion superficielle et son action doit donc précéder la fusion Le contact entre le faisceau 2 et la pièce 3 se fait dans une atmosphère de gaz neutre On a réglé les divers paramètres de façon que lorsque la zone 4 arrive sous le jet d'azote le métal ne soit plus à l'état liquide mais pâteux 5 En réglant la pression d'azote entre 4 et 12 bars c'est-à-dire avec une vitesse entre 20 et 70 m/sec celui- ci pénètre à une profondeur de 1 à 2 mm dans cette zone devenue pâteuse et on obtient en surface une dureté de 800 HV. La vitesse de l'argon est basse ( 1 à 2 m/s) mais on choisit un débit suffisant pour que le spot de l'impact de l'argon sur la pièce 3 forme un cercle de 40 mm de diamètre. On revêt ainsi la pièce 3 en faisant des séries de passes 9 adjacentes de largeur 2 à 3 mm. Les vitesse d'avance de la pièce 3 peuvent aller de 40 à 60 m/min pour une puissance de 3 k W Le retard de la zone d'impact 4 ' d'azote par rapport à la zone d'impact 4 du faisceau 2 est inférieur à une demi-seconde Les zones 4 et 4 ' sont de préférence tangentes. La pièce traitée 3 a une surface dorée En épaisseur, on observe un empilement d'une couche Ti N en surface puis d'une couche Ti 2 N puis un enrichissement de la phase a du substrat avec des phases complexes Ti 3 N 2 et Ti 4 N 3. Le densité d'atome d'azote est de 15 à 35 % par rapport aux atomes de Ti. Le dureté superficielle est de 800 HV environ A 2 mm de profondeur on retrouve la dureté habituelle du substrat. Si l'alliage de titane est un TA 6 V, la dureté est d'environ 300/320 HV De plus, une structure type Beta légèrement plus dure de cet alliage et qui a pour origine une transformation thermique pendant la refusion, pourra s'intercaler entre la partie nitrurée et la structure du TA 6 V type Alpha/Beta. A noter qu'on trouve moins de Ti N dendritique en surface qu'habituellement Ceci provient notamment de a dilution d'azote dans l'argon.35 Le dispositif selon l'invention pour projeter l'azote et l'argon représenté aux figures 3 et 4 comporte un tube central 5 de faible diamètre une enveloppe interne conique venant s'appuyer au voisinage de l'extrémité du tube une enveloppe externe 6 conique convergente de même axe que le tube terminé 5 par un divergent 8.5 Une conduite d'argon alimente l'espace 7 entre enveloppe interne 10 et enveloppe externe 6. Un débit-mètre 12 permet de vérifier le débit d'argon. Un compresseur 13 met l'azote sous pression et alimente le tube 5, le débit d'azote étant vérifié grâce également à un10 débit- mètre 14. Des ailettes 15 sont disposées entre l'enveloppe externe 6 et le tube 5 au voisinage de son extrémité 16 Ces ailettes 15 servent à mettre le débit d'argon en rotation et ce débit est mis en tourbillon par le passage de l'azote à15 grande vitesse relativement par rapport à la vitesse de l'argon au voisinage du divergent 8. Toutes les tuyauteries véhiculant les gaz sont en acier inoxydable. REVENDICATIONS 1/ Procédé de nitruration d'une pièce ( 3) en alliage de titane dans lequel on dirige sur la pièce ( 3) un faisceau laser ( 2) mobile relativement par rapport à la pièce ( 3), on 5 projette un jet d'azote sur la pièce dans une direction fixe par rapport à la direction du faisceau laser, on projette un gaz neutre sur la pièce ( 3), caractérisé en ce qu'on obtient une légère fusion superficielle de la zone ( 4) touchée par le laser ( 1) et en10 ce qu'on projette l'azote sous forte pression juste derrière la zone ( 4) touchée par le faisceau laser ( 1) de façon que l'azote pénètre dans la zone ( 4) alors qu'elle est devenue pâteuse, et en ce qu'on projette le gaz neutre autour de la projection d'azote de façon que cette projection recouvre en15 la débordant la zone ( 4) touchée par laser. 2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pression de l'azote est comprise entre 4 et 12 bars et la pression de gaz neutre est comprise entre 1 et 2 bars. 3/ Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le jet d'azote met le gaz neutre en tourbillons. 4/ Dispositif de projection d'azote et de gaz neutre caractérisé en ce qu'il comporte un tube central ( 5) servant a véhiculer l'azote et un conduit ( 7) symétrique de révolution autour de l'axe du tube central ( 5) dont les25 parois interne et externe ( 10, 6) sont coniques la paroi interne ( 10) venant s'appuyer sur le tube central ( 5) et la paroi externe ( 6) dépassant l'extrémité ( 16) du tube ( 5) et terminée par une partie divergente ( 8), ledit conduit ( 7) servant a véhiculer le gaz neutre.30 5/ Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le conduit de gaz neutre ( 7) comporte au voisinage de l'extrémité ( 16) du tube central ( 5) des ailettes ( 15) mettant le gaz neutre en tourbillons.