Brevet FR2685923A1 — publié le 19930709

PROCEDE DE REVETEMENT PAR PULVERISATION THERMIQUE POUR SEGMENTS DE PISTON La présente invention concerne un procédé de revête- ment par pulvérisation thermique pour segments de piston, qui utilise différents matériaux, est d'un faible coût et garde inaltérables les propriétés moyennes de revêtement. Un procédé de revêtement par pulvérisation thermique pour segments de piston connu utilise des fils d'alimenta- tion en molybdène pur à 99,9 % qui sont fondus par des cha- lumeaux respectifs à l'oxygène et à l'acétylène Dans ce procédé, des gouttelettes de molybdène fondu sont pulvéri- sées contre la face de contact externe des segments de pis- ton, ladite face étant à une température relativement fai- ble par comparaison avec la température des gouttelettes atteignant ladite face de contact externe, de l'air compri- mé étant employé comme propulseur L'adhérence entre les gouttelettes et la face de contact externe est obtenue mé- caniquement, par la solidification desdites gouttelettes sur ladite face de contact externe rugueuse, étant donné la forte tension de contraction durant la solidification. Outre le coût élevé de ce procédé, qui n'utilise que du molybdène, la couche de revêtement obtenue s'avère fra- gile, parce que le soudage de couches de revêtement suc- cessives se fait via des interfaces riches en oxydes Cette fragilité a pour effet que le revêtement risque de se fis- surer et de s'écailler lorsque le segment de piston est soumis à des contraintes mécaniques L'intégrité du revête- ment au molybdène est atteinte par les températures de fonctionnement élevées dudit segment de piston près de la chambre de combustion, principalement en raison de la dif- férence substantielle de coefficient de dilatation thermi- que entre le molybdène et le métal de base de l'alliage de fer, provoquent lesdites fissures lors de contraintes. En outre, le procédé de revêtement par pulvérisation utilisant des fils manque de souplesse d'utilisation quant à la combinaison de différents matériaux. Un autre procédé connu utilise la pulvérisation de poudre, qui permet l'association de matériaux, mais est d'un coût très élevé, principalement dans le cas d'une pul- vérisation au moyen d'un arc de plasma. Ainsi, la présente invention a pour objectif de propo- ser un procédé de revêtement par pulvérisation thermique pour segments de piston, qui produit un revêtement qui ré- siste au fissurage et à l'écaillement lorsqu'il est soumis à de fortes contraintes mécaniques, et qui est d'un faible coût. La présente invention a pour autre objectif de propo- ser un procédé de revêtement par pulvérisation thermique pour segments de piston, qui présente une plus grande sou- plesse d'utilisation quant à la combinaison de différents matériaux, ce qui permet de combiner des propriétés dif- férentes. Ces objectifs sont atteints par un procédé de revête- ment par pulvérisation thermique pour segments de piston, qui comprend la phase initiale consistant à ancrer une plu- ralité de segments de piston sur une structure de base pour les empêcher de se déplacer les uns par rapport aux autres, de manière que leurs faces de contact externes forment une surface cylindrique, et une phase complémentaire consistant à pulvériser, de manière progressive et continue, par un courant gazeux forcé, et sur toute l'étendue de ladite sur- face cylindrique, une masse de gouttelettes, qui sont por- tées à fusion par un chalumeau oxyacétylénique, à partir d'au moins un fil d'alimentation en molybdène, et à partir d'au moins un fil d'alimentation en un matériau de liaison métallurgique plus tendre, la masse de gouttelettes consis- tant en 30 à 60 % environ de molybdène, le restant étant un matériau de liaison, ladite pulvérisation étant réalisée de manière à revêtir intégralement la surface cylindrique avec la masse de gouttelettes en au moins une couche. La présente invention va à présent être décrite, rela- tivement aux dessins annexés, sur lesquels: La figure 1 est une vue en coupe longitudinale par- tielle d'un piston opérant dans un cylindre et doté de seg- ments de piston, la pression des gaz étant indiquée par la flèche; et un détail à plus grande échelle d'un desdits segments de piston, mettant en relief le revêtement de sa face de contact externe; La figure 2 illustre, schématiquement, les segments de piston étant aspergés au moyen de fils d'alimentation, se- lon la présente invention; et La figure 3 est une vue en coupe transversale à plus grande échelle d'une partie d'un segment de piston dotée d'un revêtement sur sa face de contact externe. Selon la présente invention, sont proposés des seg- ments de piston 1, destinés à être montés sur un piston al- ternatif P et qui fonctionnent, durant la combustion, près de la paroi interne d'un cylindre C Chaque segment de pis- ton 1 présente une face de contact externe la dotée d'un revêtement anti-abrasif et anti-adhésif, qui protège les- dits segments de piston 1 lorsqu'ils sont soumis à une pression et à une température élevées durant le cycle de combustion. Dans un mode de réalisation de la présente invention, la face de contact externe la de chaque segment de piston 1 est d'abord réalisée en usinant ledit segment de piston 1, de manière à former une rainure annulaire superficielle à la portion centrale circulaire dudit segment de piston 1, ladire rainure étant ultérieurement remplie du revêtement, jusqu'à ce que le diamètre de la face de contact externe la du segment de piston 1 soit récupéré. Dans un autre mode de réalisation de la présente in- vention, la couche de revêtement est disposée extérieure- ment sur la face de contact externe la, augmentant ainsi le diamètre de la pièce dans la zone o le revêtement est ap- pliqué, jusqu'à ce que soit obtenue une couche de revête- ment d'une largeur annulaire suffisante pour obtenir, après usinage final, une épaisseur de revêtement de 2 à 7 % de la largeur annulaire de base du segment. Comme représenté sur la figure 2, une structure de ba- se 2 supporte et retient, sur sa longueur, en utilisant des moyens de fixation tels que des boulons et des écrous, une pluralité de segments de piston 1, qui sont empêchés de se déplacer les uns par rapport aux autres, et qui sont dispo- sés de manière à former une surface cylindrique présentant un mouvement rotatif autour d'un arbre de rotation, qui passe par le centre des segments et qui coîncide avec l'axe géométrique de la structure de base 2, et un mouvement de translation, vers ledit axe géométrique. A une certaine distance de ladite structure de base 2, sont disposés deux siphons de gaz 3, qui sont simultanément alimentés via leur entrée respective a, b, en oxygène et acétylène, de manière à former une flamme de fusion capable de faire fondre les éléments chimiques utilisés dans le présent procédé de pulvérisation Chaque siphon de gaz 3 possède un réglage de flamme, qui est obtenu en faisant varier les proportions d'oxygène et d'acétylène dans la flamme. Outre les gaz qui sont distribués dans les siphons 3, de manière à former la flamme décrite ci-dessus, chaque siphon 3 reçoit, via une troisième et une quatrième entrée c et d, respectivement, des éléments chimiques destinés à être fondus et employés dans le revêtement desdits segments de piston 1, et un volume d'air comprimé qui transporte, via une sortie "s" de chacun desdits siphons 3, les gout- telettes de chaque élément chimique fondu, vers la face de contact externe de la surface cylindrique de la structure de base 2. Dans un mode de réalisation préféré de la présente in- vention, le revêtement est obtenu par la pulvérisation thermique simultanée de deux éléments chimiques, qui sont différents mais ont la même concentration, et qui se pré- sentent sous la forme de rouleaux de fils d'alimentation 4, passant respectivement dans un siphon 3. Dans la solution préférée décrite, un des éléments chimiques utilisé dans le revêtement est du molybdène, qui rend le revêtement anti-abrasif et anti-adhésif, et qui est employé à une pureté de 99,9 % L'autre matériau est de l'acier inoxydable Cet élément, moins dur que le molybdè- ne, permet la liaison métallurgique du molybdène à la face de contact externe la des segments de piston 1, et la cohé- sion des plusieurs couches de revêtement appliquées sur les couches antérieures Pour chaque fil d'alimentation qui est utilisé, la flamme oxyacétylénique a un réglage spécifique, obtenu car une proportion adéquate d'oxygène et d'acétylène définie en fonction du point de fusion de chaque élément pour la composition des fils d'alimentation. L'acier inoxydable, qui a un point de fusion moins élevé, permet une meilleure liaison métallurgique, augnen- tant la résistance aux fissures dans le revêtement sous l'effet de contraintes mécaniques, améliorant son adhérence au métal de base du segment de piston 1, ainsi que la cohé- sion des particules pulvérisées. L'adhérence du revêtement au métal de base est princi- palement métallurgique Dans cette adhérence, les gout- telettes de molybdène, lorsqu'elles sont pulvérisées sur la face de contact externe des segments de piston, atteignent cette surface, qui est à une température moins élevée, se solidifiant alors dans une condition d'ancrage au métal de base auparavant rendu rugueux. Selon la présente invention, le revêtement est obtenu en utilisant un alliage, étant dans ce cas un alliage mé- tallurgique chimique de molybdène et d'acier inoxydable, de manière à permettre une meilleure adhérence du molybdène à la face de contact externe la des segments de piston, ga- rantissant ainsi sa résistance aux fissures et ruptures durant les températures de fonctionnement élevées auxquel- les les segments de piston 1 sont soumis près de la chambre de combustion. La pulvérisation a lieu sans interruption durant un nombre déterminé de cycles de mouvements de la structure de base 2, jusqu'à ce que la face de contact externe la de chaque segment de piston 1 de ladite structure de base 2 présente une couche de revêtement homogène et continue du mélange molybdène/acier inoxydable avec une largeur an- nulaire telle que mentionnée précédemment. Dans la présente solution, le revêtement est obtenu par pulvérisation simultanée de molybdène et d'acier inoxy- dable, en tenant compte des points qui sont déplacés longi- tudinalement sur toute l'étendue de la structure de base 2, de manière à former, sur la surface cylindrique de ladite structure de base 2, des trajets hélicoïdaux résultant des mouvements de rotation et de translation de ladite structu- re de base 2, relativement aux siphons de gaz 3, et, par conséquent, relativement à la masse de gouttelettes qui sont fondues par pulvérisation. L'acier inoxydable, garantit non seulement l'adhérence du molybdène au métal de base de la face de contact externe la de chaque segment de piston 1, mais permet la liaison des gouttelettes de molybdène les unes aux autres. Chaque rouleau de fil d'alimentation 4 a sa propre vi- tesse de distribution pour son siphon 3 respectif, définie selon la concentration requise pour le mélange de chaque élément chimique utilisé dans le revêtement. En outre, la vitesse de rotation de la structure de base 2 reste proportionnelle à la vitesse de rotation des rouleaux de fil d'alimentation 4 alimentant les siphons de gaz 3, qui est définie selon le nombre de couches et la largeur annulaire de chaque couche de revêtement destinée à adhérer métallurgiquement à la face de contact externe la de chaque segment de piston 1 Le module de ladite vitesse de rotation de la structure de base 2, relativement au mo- dule de la vitesse de rotation de chaque rouleau de fil d'alimentation 4 peut être, par exemple, nul. Une fois que la pulvérisation de l'alliage molybdène/ acier inoxydable sur la surface cylindrique est terminée, chaque segment de piston 1 est soumis à un usinage à sa fa- ce de contact externe la, de manière à achever son profil de travail. REVENDICATIONS 1 Procédé de revêtement par pulvérisation thermique pour segments de piston, qui comprend la phase ini tiale consis- tant à ancrer une pluralité de sécrnments ( 1) sur une structure de base ( 2), pour les empêcher de se déplacer les unes par rapport aux autres, de manière que leurs faces de contact externes (la) forment une surface cylindrique, ca- ractérisé en ce qu'il comprend en outre la phase consistant à pulvériser, de manière progressive et continue, par un courant gazeux forcé et sur toute l'étendue de ladite sur- face cylindrique de la structure de base ( 2), une masse de gouttelettes qui sont portées à fusion par un chalumeau oxyacétylénique, à partir d'au moins un fil d'alimentation en molybdène ( 4), et à partir d'au moins un fil d'alimenta- tion ( 4) en un matériau de liaison métallurgique plus ten- dre, la masse de gouttelettes consistant en 30 à 60 % envi- ron de molybdène, le restant étant un matériau de liaison, ladite pulvérisation étant réalisée de manière à revêtir intégralement ladite surface cylindrique avec la masse de gouttelettes en au moins une couche, ladite surface cylin- drique étant soumise, durant la pulvérisation, à un mouve- ment de rotation autour de son axe géométrique, simultané- ment avec un mouvement de translation autour dudit axe géo- métrique, de manière à produire des déplacements hélicoï- daux de points de pulvérisation sur toute l'étendue de la surface cylindrique. 2 Procédé selon la revendication 1, dans lequel le maté- riau de liaison métallurgique est de l'acier inoxydable. 3 Procédé selon la revendication 1, dans lequel la masse de gouttelettes consiste en parts sensiblement égales de molybdène et d'acier inoxydable. 4 Procédé selon la revendication 3, dans lequel le revê- tement de la face de contact externe desdits segments de piston ( 1) présente une épaisseur finale finie, de 2 à 7 % de la largeur annulaire du segment.