Brevet FR2702496A1 — publié le 19940916

PROCEDE D'ELIMINATION DE LA POROSITE DtUNE COUCHE PROJETER La présente invention concerne un procédé d'élinination de la porosité d'une couche projetée thermiquement, et plus particulièrement d'une couche projetée à l'aide d'un plasma. Les dépôts métalliques, céramiques, céramométalliques ou organométalliques, réalisés par projection plasma sous air présentent généralement une porosité comprise entre 2 et 10 v en volume. Une autre technique consiste à effectuer une projection plasma sous vide au moyen de dispositifs spéciaux connus sous les dénominations VPS (Vacuum Plasma Spray), LPPS (Low Pressure Plasma Spray) ou CAPS (Controlled Atmosphere Plasma Spraying). Une telle technique permet de réduire la porosité des dépôts à une valeur inférieure à 5 X sn volume. Toutefois, dans de nombreux cas, les propriétés des dépôts obtenues restent insuffisantes, ne conviennent pas ou peu, par rapport à celles qu on souhaiterait obtenir qui sont essentiellement mais non limitativement la densité théorique ou très proche de la densité théorique et les mêmes propriétés mécaniques d'une pièce équivalente au dépôt mais réalisée par frittage ou par forgeage.Par exemple, des coussinets logés directement dans des bielles de moteur automobile ou dans les organes de transmission mécaniques, ne pourraient être réalisés avec lune ou l'autre des techniques décrites précédemment. En effet, la porosité du revêtement constituant le coussinet serait encore trop importante, même réduite à 2 t en volume, et conduirait à une usure trop rapide des coussinets. Une autre technique préconisée récemment consiste à projeter le dépôt avec un plasma puis à soumettre le dépôt et le substrat sur lequel le dépôt est projeté à un traitement thermique, de manière à réaliser un frittage par diffusion en phase solide des divers matériaux en présence. Néanmoins, cette technique présente des inconvénients qui peuvent être incompatibles avec les résultats recherchés, parmi lesqueis on peut citer les fissurations, les retraits et les déformations, qui apparaissent au cours du frittage. Pour remédier à ces inconvénients, il serait nécessaire de faire appel à une grande technicité mettant an oeuvre des moyens importants qui sont le plus souvent disproportionnés, d'un strict point de vue économique, par rapport à l'objectif industriel recherché. La présente invention a pour but de proposer un procédé pour éliminer la porosité d'un dépôt sur un substrat, ledit dépôt pouvant constituer un revêtement pour ledit substrat ou encore une pièce indépendante après élimination du substrat, ladite pièce étant communément considérée comme ayant été réalisée par plasma formage, le procédé selon l'invention étant relativement simple à mettre en oeuvre pour l'obtention d'une gamme très étendue de produits. Un autre but de la présente invention est de réaliser des revêtements sur des substrats de diverses natures telles que des alliages d'aluminium, de l'acier, de la fonte ou encore un alliage de titane, lesdits revêtements présentant les mêmes propriétés mécaniques qu'une pièce forgée. La présente invention a pour objet un procédé d'élimination de la porosité d'une couche projetée thermiquement, du type consistant à projeter thermiquement sur un substrat et une poudre dont les constituants sont de nature différente, ladite projection et ledit substrat étant à des températures telles qu'une trempe quasi immédiate des constituants de la poudre est réalisée à l'impact sur le substrat, de manière à constituer une couche de revêtement sur ledit substrat, caractérisé en ce qu'il consiste à faire subir au substrat et à ladite couche un traitement thermique dans lequel au moins un des constituants de la poudre est amené à un état fondu ou liquide. Un avantage de la présente invention réside dans le fait qu'on peut agir sur le traitement thermique de manière à déterminer le pourcentage de phase liquide nécessaire pour obtenir une densification du dépôt ou de la couche projetée sans provoquer un effondrement complet dudit dépôt. D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront à la lecture de la description du procédé selon l'invention et appliqué pour l'obtention d'un revêtement et d'une pièce en plasma formage. Dans tous les cas, la composition de la poudre à projeter par une flamme du type plasma par exemple, est choisie de telle sorte qu'au moins un des composants est susceptible de passer en phase liquide, c'est-à-dire qu'il soit à l'état fondu ou liquide, au cours du traitement thermique suivant la projection plasma. De même, les conditions de projection de la poudre et en particulier la cinématique et le refroidissement sont optimisés pour provoquer une trempe immédiate des particules constituant la poudre, tout en évitant une interdiffusion au cours de la réalisation des diverses couches projetées lorsque, bien évidemment, on réalise successivement plusieurs couches les unes au-dessus des autres. Un exemple de réalisation d'un coussinet réalisé directement par projection plasma dans une tête de bielle de moiteur thermique est décrit ci-après. La bielle qu. constitue, dans ce cas, le substrat peut être mise en forme par forgeage, par frittage ou par fonderie en utilisant des matériaux tels qu'un alliage d'aluminium, un acier, une fonte ou un alliage de titane. La bielle, après formage, est coupée dans la tête afin de pouvoir réaliser un dépôt dans l'alésage de ladite bielle. La tête de bielle coupée est soumise à un traitement mécanique de façon que la surface devant recevoir le dépôt présente une rugosité appropriée de manière à optimiser et renforcer l'adhésion du dépôt sur ladite surface. Un traitement mécanique usuel est le sablage qui permet facilement de conférer à la surface à traiter la rugosité désirée, en fonction de la nature du matériau utilisé pour la tête de bielle et de la composition de la poudre à projeter. La composition de la poudre est choisie de telle sorte que la majorité des particules utilisées présente une température de fusion supérieure à la température maximale du traitement thermique ultérieur. La granulométrie est inférieure à 80 ym et, de préférence, supérieure à 10 ym. Le tableau ci-dessous donne, à titre indicatif, les proportions en volume des divers composants des poudres utilisables. Cu Al Sn Pb In - base I à 15 % - 1 à 10 % base 1 à 24 % base - 1 à 20 X 1 à 25 % base - 1 à 20 XO 1 à 25 % 1 à 5 % Par base, on entend l'élément prépondérant de la poudre utilisée. Mais d'autres alliages peuvent également convenir comme par exemple le CuZn ou CoCu. L'élaboration de la poudre est réalisée par agglomération de particules de matériaux de base dont la granulométrie est inférieure à 5 Fm ou de particules préalliées de cuivre et de plomb ou cuivre-aluminium avec de l'étain et les compléments en plomb ou aluminium, de granulométrie également inférieure à doum. Les particules sont mises en barbotine avec de l'eau, un dispersant et un liant, puis atomisées et séchées dans un atomiseur-séchoir (Spray Dryier en anglais). On sélectionne ensuite par tamisage les particules séchées comprises entre 30 et 80 ym. Dans le cas d'une poudre GlCuSn à projeter, les conditions de projection sont les suivantes Débit poudre : 40 g/mn Gaz porteur de la poudre : Argon Débit gaz porteur : 1,5 l/mn Diamètre injecteur de poudre : 1,5 mm Gaz plasmagènes : Argon et hélium Angle projection : 850 Vitesse horizontale de la torche plasma : 500 mm/mn Vitesse verticale de la torche plasma : 500 mm/mn Pas balayage: 5 Nombre de cycles (aller-retour) 70 Distance projection 80 mm. La température du substrat sur lequel la poudre est projetée est inférieure à 800C, de façon que les particules projetées à chaque balayage subissent une trempe quasi-immédiate. Si on le souhaite, on peut refroidir le substrat au moyen d'un jet d'air de manière à s'assurer que la trempe desdites particules s'effectue instantanément, à une vitesse de l'ordre de 1050Clseconde. Comme on peut le constater, les vitesses de la torche sont très élevées et ce, afin d'obtenir sur le substrat un dépôt dont la structure est microcristalline et pratiquement amorphe. Pour une poudre du type CuPbSn, les conditions de projection sont sensiblement les mêmes que celles données ci-dessus à propos de la poudre AlCuSn. Le traitement thermique consiste à élever la température progressivement de manière à permettre aux particules ou agglomérats de particules susceptibles de fondre à basse température corme l'étain et le plomb, ce qui conduit à les amener en phase liquide. Le ou les constituants liquides diffusent entre les particules solides adjacentes et commencent à dissoudre les parties de plus petit rayon de courbure desdites particules solides. Les parties dissoutes des particules solides précipitent dans le ou les constituants liquides. Ce phénomène de dissolutionprécipitation conduit à l'élimination de la porosité et à la formation de nouvelles phases cristallines. Ces phases cristallines seront d'autant plus solides que 12 ou les constituants liquides seront saturés par les parties dissoutes et précipitées. Pour obtenir ces nouvelles phases cristallines, on élève progressivement la température jusqu'à 25O0C pendant 2 h 30 mn, ce qui évite, de plus, toute fissuration par choc thermique. L'étape suivante consiste à maintenir la température de 2500C en palier pendant environ 6 h de façon à poursuivre et achever la dissolutionprécipitation des particules solides d'Al ou de Cu dans la phase liquide, et à créer un ré-arrangement de la structure par diffusion an phase solide. Avec un tel traitement thermique, on obtient de nouveaux alliages à la température considérée. On procède ensuite à un refroidissement lent et progressif, de même nature que la montée en température, c' est-à-dire qu'on laisse refroidir pendant 2 h 30 environ. De préférence, le traitement thermique est effectué sous atmosphère vide à 13-2 mbars et il est conduit de la manière indiquée ci-dessus pour l'obtention d'une densification du dépôt supérieure à 5 % en volume, pouvant aller jusqu a 10 % Le dépôt obtenu, d'épaisseur d'environ 0,55 mm est en fait un nouveau composé solide qui présente une tenue en température très supérieure à celle à laquelle on pouvait s'attendre ainsi que des propriétés mécaniques élevées, grâce notamment à la cristallisation de nouvelles phases et à l'élimination de la structure initiale. La tête de bielle, une fois revêtue par le dépôt, peut subir un traitement mécanique de précontrainte de la surface revêtue, par exemple un grenaillage. Ces opérations étant terminées, la bielle est remontée,-les deux parties de la tête étant vissées l'une sur l'autre et l'alésage de la bielle usiné aux cotes imposés par le moteur, comme cela est effectué usuellement. La bielle est alors prête à être montée sur le vilebrequin. La préparation de la surface à revêtir peut être effectuée par un dégraissage à l'acétone pour les alliages de titane ou à l'alcool pour les autres alliages, puis par un sablage au corindon de 100 à 300 31m pour la fonte, et de 200 à 425 pm pour les autres matériaux. La pression de sablagevarie de 2,5 à 5 bars. Dans le cas d'un plasma-formage, on effectue le dépôt sur un mandrin usinable, fusible ou décomposable, de manière à obtenir des formes de pièces compliquées ou très difficiles à réaliser par d'autres procédés de fabrication. Grâce à la présente invention mise en oeuvre dans un CAPS par exemple, on peut obtenir des dépôts très denses (porositée mesurée par traitement d'image sur micrographie inférieure à 1 X ). A titre d'exemple, on peut utiliser une poudre comprenant qes particules de titane, aluminium et vanadium. La poudre est obtenue soit par mélange des particules des métaux indiqués, soit par enrobage du titane par de l'aluminium et du vanadium dans un dispositif connu sous le nom d'"attritor". On ajoutera de 1 à 1,5 % en volume de silicium pour permettre la diminution de la viscosité de la phase liquide et augmenter la mouillabilité et les phénomènes de dissolution-précipitation des différentes phases cristallines.La granulométrie de la poudre utilisée est de préférence comprise entre 60 et 100 ym. Avec une poudre de Ti Al 6V de granulométrie supérieure à 63 ym, un substrat provisoire réalisé avec de l'étain ou un alliage étain-aluminium à 2 % en volume d'aluminium, ou encore un alliage étain-cuivre à 5 % en volume de cuivre, les conditions de projection sont les suivantes Débit poudre : 25 g/mn Gaz porteur : Argon Diamètre injecteur poudre : 1,5 mm Inclinaison injecteur : 900 Température substrat : Gaz plasmagènes : Ar + He Distance projection : 85 mm Angle projection : 900C Vitesse horizontale de la torche plasma :O Vitesse verticale de la torche plasma : 16,5 mm/mn Vitesse de rotation : 200 t/mn Pas de balayage : 5 Nombre de cycles : 30 Le traitement thermique consiste, dans une première étape ou prétraitement, à éliminer le substrat provisoire en élévant la température sous vide jusqu'à 500C, pendant environ 2 h 30 mn, le substrat provisoire s'écoulant dans un récipient prévu à cet effet et la couche (ou dépôt) projetée étant maintenue sur des cales en Y204Mg. La température de 2500C est maintenue pendant 2 h environ avant de procéder à un refroidissement pendant environ 2 h 30 mn.A la fin de cette première étape, on procède, dans une deuxième étape, au traitement thermique du dépôt proprement dit qui consiste à élever la température jusqu a 7000C à raison de 80 C/heure, sous 10-3 mbars, puis à maintenir ladite température pendant un palier de 2 heures. A la fin du palier, on élève à nouveau la température jusqu'à 15000C environ, à raison de 1000C/heure, sous argon à 1 bar, puis maintien de ladite température pendant un palier de 2 heures avant de procéder au refroidissement par diminution de la température à raison de 800C/heure. La pièce ainsi réalisée n' a pas ou a très peu de porosité et présente une structure isotrope à grains fins, et des propriétés thermiques et mécaniques analogues à un matériau forgé. Dans ce qui precêde, il n'a pas été fait référence à une couche d'accrochage entre le revêtement, dépôt ou couche projetée, et le substrat non provisoire. I1 va de soi que lorsque cela est nécessaire, on peut déposer une couche d'accrochage dont la composition et les paramètres de projection sont définis en fonction du résultat à atteindre. REVENDICATIONS 1. Procédé d'élimination de la porosité d'une couche projetée thermiquement, du type consistant à projeter sur un substrat une poudre dont les constituants sont de nature différente, les températures de projection et du substrat étant telles qu'une trempe quasi immédiate des constituants de la poudre est réalisée à l'impact sur le substrat, de manière à constituer une couche de revêtement sur ledit substrat, caractérisé en ce qu'il consiste à faire subir au substrat et à ladite couche un traitement thermique dans lequel au moins un des constituants de la poudre est amené à un état fondu ou liquide. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température de fusion d'au moins un des constituants est très inférieure à la température d'interdiffusion des autres constituants. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le constituant de plus faible température de fusion dissolve en partie les autres constituants de manière à réaliser un nouveau composé solide présentant une température de fusion supérieure à celle de la poudre projetée. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le traitement thermique comprend une première étape de montée en température, suivie d'une deuxième étape de stabilisation en température et d'une troisième étape de refroidissement. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la température du traitement thermique au cours de la deuxième étape de stabilisation est supérieure à la température de fusion du constituant de plus faible température de fusion. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le substrat est du type non fusible ou décomposable. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le substrat est provisoire et du type fusible ou décomposable apte à être éliminé au cours du prétraitement thermique, dont la température est inférieure à la température de fusion du constituant de la poudre à plus faible température de fusion. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que, après élimination du substrat, la couche projetée est soumise au traitement thermique consistant en une première élévation en température progessive jusqu'à un premier niveau de température supérieur à la température de fusion du constituant à plus faible température de fusion, puis en maintenant ledit premier niveau de température pendant un palier de plusieurs heures, puis à élever une deuxième fois la température jusqu'à un deuxième niveau de température au moins le double du premier niveau, puis à maintenir ledit deuxième niveau de température pendant un palier de plusieurs heures, puis enfin à refroidir progressivement. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la poudre comprend des particules d'étain. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6 ou 9, caractérisé en ce que la poudre comprend une majorité de particules d'aluminium. 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6 ou 9, caractérisé en ce que la poudre comprend une majorité de particules de cuivre. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que la poudre comprend, outre des particules de cuivre et d'étain, des particules de plomb. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que la poudre comprend en outre des particules d' indium. 14. Procédé selon l'une des revendications 9 à 13, caractérisé en ce que la poudre comprend, en volume, de 1 à 25 % de particules d'étain. 15. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que la poudre comprend, en volume, de 1 à 25 % de particules de plomb. 16. Procédé selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que le substrat provisoire est en étain, ou un alliage étain-aluminium avec 2 % en volume d'aluminium, ou el Up alliage étain-cuivre avec 5 % en volume de cuivre. 17. Procédé selon l'une des r-vendications 7 ou 8, caractérisé en ce que la poudre est du Ti Al 6V. 18. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que les premier et deuxième niveaux de températures sont atteints respectivement à raison de 800C/heure et de 100 C/heure, le refroidissement étant effectué à raison de 800C/heure. 19. Produit obtenu selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il constitue un coussinet pour bielle de moteur automobile.