Brevet FR2693925A1 — publié le 19940128

Procédé de préparation et de revêtement de surface et dispositif pour la mise en oeuvre dudit procédé La présente invention concerne le domaine des traitements de surface, plus particulièrement celui des dépôts superficiels, et a pour objet un procédé de prépa- ration et de revêtement de surface ainsi qu'un dispositif 5 pour la mise en oeuvre dudit procédé. Lors d'un traitement de couverture d'un substrat ou subjectile par l'intermédiaire d'un dépôt, les pro- priétés superficielles du subjectile et la qualité de l'interface entre la surface dudit subjectile et le maté-10 riau du dépôt jouent un rôle primordial dans -la tenue mé- canique et l'adhérence dudit dépôt. Ceci est particulièrement vérifié dans le cas d'une application du dépôt au moyen d'une projection ther- mique, par exemple par plasma d'arc soufflé ou par chalu-15 meau. Actuellement, il existe principalement deux types de préparations d'une surface en vue d'un dépôt, à savoir les gammes de préparation de surface et les pro- cédés d'amélioration de l'aspect géométrique de surface,20 les deux types de préparations étant appliqués dans le cadre d'un revêtement par projection thermique. Les gammes de préparation de surface usuelles comprennent généralement, d'une part, un premier dégrais- sage grossier, d'autre part, une préparation de surface25 mécanique au moyen d'outils ou de matériaux abrasifs sup- portés (polisseuses), en suspension (tonnelage, vibrage) ou projetés (sablage, grenaillage) et, enfin, un second dégraissage complémentaire. Néanmoins, ces différentes opérations néces- sitent chacune une installation particulière correspon- dante, avec adaptation éventuelle de chaque installation à l'état du subjectile à dégraisser et aux propriétés super- ficielles requises. De plus, les opérations mécaniques de prépara- tion de surface provoquent sur certains matériaux un en- châssement de particules au niveau de la surface, néfaste pour les propriétés ultérieures du dépôt sur le subjectile ou substrat, ainsi qu'une déformation de ces derniers lorsqu'ils sont de faible épaisseur. Par ailleurs, certains matériaux, tels que le titane, l'aluminium ou leurs alliages, présentent une très grande affinité pour l'oxygène et se ré-oxydent très rapi- dement après une préparation de surface mécanique Ainsi, le temps nécessaire à l'installation du subjectile pré- paré, sans tenir compte du temps nécessaire à l'extraction dudit subjectile de l'installation de préparation méca-15 nique et à son transport vers l'installation de projection thermique, est en lui-même déjà suffisant pour aboutir, sous atmosphère ambiante, à la formation d'une couche d'oxyde, certes de faible épaisseur, mais toutefois né- faste pour la tenue mécanique et l'adhérence du dépôt appliqué ultérieurement. La présente invention a notamment pour but de pallier les inconvénients précités et, au-delà, peut per- mettre la poursuite de cette approche au cours du proces- sus de revêtement.25 A cet effet, elle a pour objet un procédé de préparation et de revêtement de surface de subjectiles, ledit revêtement étant réalisé par projection thermique sous atmosphère normale ou contrôlée, caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement à soumettre progressivement30 la surface à traiter d'un subjectile à une irradiation laser, entraînant une élimination totale ou partielle du film contaminant superficiel et une modification de la morphologie de la surface sous-jacente du subjectile, et à projeter, par l'intermédiaire d'un dispositif de projec-35 tion thermique, le matériau d'apport sur la zone de sur- face ainsi préparée, immédiatement après ladite prépara- tion et en synchronisme avec cette dernière, de sorte qu'en cas de maintien permanent de l'action du laser pen- dant la projection du dépôt, la préparation successive de la surface de chaque couche constituant le dépôt permettra l'amélioration des propriétés du dépôt. L'invention a également pour objet un dispositif de préparation et de revêtement de surface pour la mise en oeuvre du procédé précité, caractérisé en ce qu'il est principalement constitué, d'une part, par un dispositif de projection thermique, par exemple à torche à plasma, d'autre part, par un dispositif de génération de rayon laser impulsionnel, et, enfin, par un dispositif de sup- port et de déplacement contrôlé du subjectile à traiter, la zone d'impact du rayon laser sur le subjectile étant soit confondue avec la zone d'impact du faisceau de pro- jection du matériau de dépôt, soit diposée adjacente à cette dernière dans une direction opposée à la direction de déplacement du subjectile. L'invention sera mieux comprise grâce à la des- cription ci-après, qui se rapporte à un mode de réalisa- tion préféré, donné à titre d'exemple non limitatif, et expliqué avec référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels: la figure 1 est une représentation schématique d'un dispo- sitif de préparation de surface et de revêtement de sur- face conforme à l'invention; la figure 2 est une vue en coupe d'un subjectile soumis au procédé de préparation selon l'invention, et la figure 3 est une vue analogue à celle de la figure 2 représentant le procédé de revêtement de surface selon l'invention. Conformément à l'invention, le procédé de prépa- ration et de revêtement de surface consiste essentielle- ment à soumettre progressivement la surface à traiter d'un subjectile à une irradiation laser 2, entraînant une éli- mination totale ou partielle du film contaminant 3 super- ficiel et une modification de la morphologie de la surface 4 sous-jacente du subjectile 1, et à projeter, par l'in- termédiaire d'un dispositif de projection thermique 9, le matériau d'apport 5 sur la zone de surface 6 préparée, immédiatement après ladite opération de préparation et en synchronisme avec cette dernière. L'action du rayon laser 2 incident sur la sur- face du subjectile 1 recouverte d'un film 3 de matières contaminantes résulte en trois phénomènes distincts, à sa- voir, d'une part, un effet thermique simple, d'autre part, une vaporisation d'une partie au moins du film contaminant 3 créant un plasma de matériaux vaporisés présentant des vitesses d'éjection importantes, et, enfin, une onde de choc induite par l'expansion naturelle du plasma. De plus, le plasma de vapeurs de matériaux in- duit une onde de choc de compression, de la surface de la partie du film contaminant 3 restante vers le coeur du subjectile 1, ladite onde de compression étant réfléchie au niveau de l'interface film contaminant 3 surface 4 du subjectile 1 et provoquant ainsi un décollement, une frac- turation et une expulsion de la partie restante dudit film contaminant 3 (Fig 2). Il en résulte une surface du subjectile rendue parfaitement apte à recevoir le dépôt en une unique opé- ration de traitement. Par ailleurs, le dépôt du matériau d'apport 5 est réalisé immédiatement après préparation par rayon laser 2, empêchant ainsi toute formation d'un nouveau film contaminant 3 superficiel, notamment par oxydation du ma- tériau du subjectile 1 en surface (Fig 3) ou condensa- tion. La préparation de surface selon l'invention est avantageusement effectuée au moyen d'impulsions laser suc- cessives, entraînant une élimination des contaminants par zones 8 adjacentes, pouvant chacune être soumise à plu- sieurs impacts consécutifs. Selon une caractéristique de l'invention, les valeurs de fréquence d'impact et de surface de zone d'irradiation laser 8 sont ajustées à la vitesse de dépla- cement, préférentiellement optimale, du dispositif de projection thermique 9 par rapport à la surface 4 du sub- jectile 1, permettant ainsi de synchroniser précisément l'action du rayon laser 2 avec celle du dispositif 9 et donc de rapprocher au maximum, pour une zone donnée de la surface du subjectile, l'instant de la préparation de surface et celui du dépôt du matériau d'apport 5 par projection thermique. En outre, la puissance des impulsions laser peut avantageusement être réglée de manière à réaliser, en plus de l'élimination du film contaminant 3, une fusion et/ou une déformation superficielle du matériau du subjectile 1 au niveau de la zone d'impact 8 dudit rayon laser 2 La valeur de la puissance nécessaire pour obtenir ce résultat dépend, bien évidemment, de l'épaisseur du film contami- nant 3 et de la nature du matériau du subjectile 1 à traiter Il en résulte une surface 4 irrégulière du sub- jectile 1 après irradiation laser, notamment au centre des zones d'impact 8, présentant une rugosité élevée favori- sant l'adhérence du dépôt de matériau d'apport 5 par pro- jection thermique consécutive. Conformément à une autre caractéristique de l'invention, le procédé de préparation et de revêtement de surface consiste, lors de l'application de plusieurs cou- ches 7 superposées de matériau d'apport 5 par dépôts suc- cessifs (Fig 3), à réaliser, pour une zone donnée, immé- diatement avant dépôt de chaque nouvelle couche 7, une préparation et une modification par rayon laser 2 de la couche 7 déposée affleurante. Ainsi, pour une zone donnée du subjectile 1, on élimine, sous l'action permanente du rayon laser 2 impul- sionnel, les contaminants 3, condensats et particules peu adhérentes éventuellement présents sur la dernière couche 7 de matériau d'apport 5 déposé lors du passage précédent du dispositif 9 et, simultanément, on réalise un compac- tage des couches 7 précédentes, résultant en une diminu- tion sensible de la porosité, ainsi qu'un renforcement de la tenue mécanique de l'ensemble du revêtement appliqué. L'invention a également pour objet un dispositif de préparation et de revêtement de surface pour la mise en oeuvre du procédé, constitué, d'une part, par un dispo- sitif de projection thermique 9, d'autre part, par un dis- positif 11 de génération de rayon laser 2 impulsionnel, et, enfin, un dispositif de support et de déplacement contrôlé du subjectile 1 à traiter, la zone d'impact 8 du rayon laser 2 sur le subjectile 1 étant soit confondue avec la zone d'impact du faisceau de projection 12 du dispositif 9, soit disposée adjacente à cette dernière dans une direction opposée à la direction de déplacement du subjectile 1. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, et comme le montre la figure 1 des dessins annexés, le dispositif de support et de déplacement réa- lise, pour le traitement de subjectiles 1 présentant un axe de symétrie, une rotation dudit subjectile 1 autour de son axe de symétrie, le dispositif de projection thermique 9 et le dispositif 11 de génération de rayon laser 2 étant disposés autour dudit subjectile 1 de manière telle que la direction de propagation du rayon laser 2 et la direction du faisceau 12 de projection du matériau d'apport 5 soient proches de la normale à la surface du subjectile 1, l'angle entre les deux faisceaux 2 et 12, de préférence le plus petit possible, étant adapté à la géométrie et à l'encombrement de la pièce. A titre d'exemple de réalisation pratique, il est décrit ci-après les dispositifs mis en oeuvre, les réglages des paramètres de préparation de surface et de dépôt ainsi que les résultats obtenus pour un dépôt de matériau d'apport 5 constitué de A 1203 à 60 % en poids et de Ti O à 40 % en poids, sur un subjectile consistant en du AU 4 G. Le dispositif 11 de génération des impulsions laser se présente sous la forme d'un laser YAG-Nd déclenché, connu sous la désignation 502 DNS de la société BMI, dont la longueur d'onde est de 1,06/km, la durée des impulsions de 12 ns, la puissance par impulsion jusqu'à 700 m J, et le diamètre du spot d'environ 8 mm, et permet- tant d'éliminer, par exemple, des films contaminants 3 ayant des épaisseurs jusqu'à 0,25 Um (oxyde de titane). Le dispositif 9 de projection thermique peut consister en un poste de projection par plasma atmosphé- rique classique, dont la vitesse de déplacement relative10 optimale de la torche 10 par rapport au subjectile 1 est de 75 m/mn et la distance moyenne de projection de 0,13 m, l'épaisseur de la couche 7 de matériau d'apport 5 déposée à chaque passage étant d'environ î O um. Après dépôt de plusieurs couches 7 de matériau d'apport 5, avec action permanente du laser sur les sur- faces avant projection thermique, des tests comparatifs ont révélé, pour le cas pratique précité, une réduction importante de la porosité des dépôts (de l'ordre de 70 %) et une augmentation remarquable de l'adhérence desdits20 dépôts au subjectile 1 (de l'ordre de 400 %) par rapport à des dépôts effectués sans action due au rayon laser 2. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté aux dessins an- nexés Des modifications restent possibles, notamment du25 point de vue de la constitution des divers éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention. REVENDICATIONS 1 Procédé de préparation et de revêtement de surface de subjectiles, par projection thermique sous atmosphère normale ou contrôlée, caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement à soumettre progressivement la surface à traiter d'un subjectile ( 1) à une irradiation laser ( 2), entraînant une élimination totale ou partielle du film contaminant ( 3) superficiel et une modification de la morphologie de la surface ( 4) sous-jacente du subjec- tile ( 1), et à projeter, par l'intermédiaire d'un dispo- sitif de projection thermique ( 9), le matériau d'apport ( 5) sur la zone de surface ( 6) ainsi préparée, immédiate- ment après ladite préparation et en synchronisme avec cette dernière, de sorte qu'en cas de maintien permanent de l'action du laser pendant la projection du dépôt, la préparation successive des surfaces de chaque couche cons- tituant le dépôt permettra l'amélioration des propriétés du dépôt. 2 Procédé, selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la préparation est effectuée au moyen d'impulsions laser successives. 3 Procédé, selon la revendication 2, cacacté- risé en ce que les valeurs de fréquence d'impact et de surface de zone d'irradiation laser ( 8) sont ajustées à la vitesse de déplacement du dispositif de projection ther- mique ( 9) par rapport à la surface ( 4) du subjectile ( 1). 4 Procédé, selon l'une quelconque des revendi- cations 2 et 3, caractérisé en ce que la puissance des im- pulsions laser est réglée de manière à réaliser, en plus de l'élimination du film contaminant ( 3), une fusion et/ou une déformation superficielles du matériau du subjectile ( 1) au niveau de la zone d'impact ( 8) dudit rayon laser ( 2). Procédé, selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 4, caractérisé en ce qu'il consiste, lors de l'application de plusieurs couches ( 7) superposées de ma- tériau d'apport ( 5) par dépôts successifs, à réaliser, pour une zone donnée, immédiatement avant dépôt de chaque nouvelle couche ( 7), une préparation et une modification par rayon laser ( 2) de la couche ( 7) déposée affleurante. 6 Dispositif de préparation et de revêtement de surfaces pour la mise en oeuvre du procédé, selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il est principalement constitué, d'une part, par un dispositif de projection thermique ( 9), d'autre part, par un dispositif ( 11) de génération de rayon laser ( 2) impul- sionnel, et, enfin, un dispositif de support et de dépla- cement contrôlé du subjectile ( 1) à traiter, la zone d'impact ( 8) du rayon laser ( 2) sur le subjectile ( 1)20 étant soit confondue avec la zone d'impact du faisceau de projection ( 12) du dispositif de projection thermique ( 9), soit disposée adjacente à cette dernière dans une direc- tion opposée à la direction de déplacement du subjectile ( 1). 7 Dispositif, selon la revendication 6, carac- térisé en ce que, pour le traitement de subjectiles ( 1) présentant un axe de symétrie, le dispositif de support et de déplacement réalise une rotation dudit subjectile ( 1) autour de son axe de symétrie, le dispositif de projection30 thermique ( 9) et le dispositif ( 11) de génération de rayon laser ( 2) étant disposés autour dudit subjectile ( 1), de manière telle que la direction de propagation du rayon laser ( 2) et la direction du faisceau ( 12) de projection du matériau d'apport ( 5) soient proches de la normale à la surface du subjectile ( 1) et présentent entre elles un angle réduit.