Brevet FR2735769A1 — publié le 19961227

PROCÈDE DE FABRICATION D'UN REVETEMENT EN CARBURE D'ALUMI NIUM SUR UN SUBSTRAT CARBONÉ ET SON UTILISATION DANS L'INDUSTRIE DE L'ALUMINIUM L'invention a pour objet un procédé de fabrication d'un revêtement en carbure d'aluminium sur un substrat carboné. Elle vise également l'utilisation de ce procédé dans l'industrie de l'aluminium. Les substrats carbonés dont il est question dans le cadre de la présente invention sont ceux qui présentent une teneur en carbone supérieure ou égale à 95 % en poids. I1 peut s'agir, par exemple, de pyrographite, de carbone pur, de pyrocarbone, de matériaux composites carbone-carbone. Le faible coût de tels substrats, ainsi que leurs excellentes propriétés physico-chimiques, expliquent qu'ils soient déjà très utilisés dans l'industrie et qu'on leur porte un intérêt toujours croissant. S'il est un domaine où de tels substrats sont particulièrement utilisés, il s'agit bien de l'industrie métallurgique en général, et surtout de l'industrie de l'aluminium. En effet, ce type d'industrie tire profit de trois des propriétés propres à de tels substrats, à savoir le fait qu'ils soient infusibles, bons conducteurs de chaleur et stables chimiquement. C'est pourquoi, dans le domaine de l'industrie métallurgique, et notamment de l'industrie de l'aluminium, de nombreuses pièces constitutives d'installations sont en matériau carboné. Dans le domaine de l'industrie de l'aluminium, les électrodes mises en oeuvre pour l'électrolyse de l'alumine sont par exemple des électrodes en graphite. A cet égard, on rappelle que l'électrolyse de l'alumine est réalisée vers 1000"C et ceci avec un courant continu de forte intensif et de faible tension. De même, en ce qui concerne le traitement avant coulée d'alliages à base d'aluminium, on met en oeuvre, et ceci à divers stades du procédé de fabrication, des matériaux carbonés. Par exemple, la buse d'injection de gaz ou les pièces de la turbine utilisées pour affiner l'alliage sont en matériau carboné. Cette buse d'injection, ou cette turbine, sont directement en contact avec l'aluminium liquide traité, ce dernier se trouvant à une température comprise entre 660"C et 800"C. Cependant, on observe qu'à de telles températures, l'aluminium exerce une action corrosive sur les matériaux carbonés. En effet, à de telles températures, la surface des matériaux carbonés se détériore au contact de l'aluminium. Cette surface devient poreuse à certains endroits du matériau tandis qu'à d'autres endroits une pellicule se forme de manière discontinue et inhomogène. Cette détérioration de la surface des matériaux carbonés a pour effet de diminuer notablement les performances des pièces considérées. La plupart du temps, il est nécessaire, afin de remplir les impératifs de rentabilité, de remplacer fréquemment les matériaux carbonés en question. Pour cela, il faut arrêter les installations, ce qui perturbe le fonctionnement et le déroulement de la production. De plus, de telles interventions nécessitent de la main d'oeuvre qui est génératrice de coûts, surtout lorsqu'il s'agit d'intervenir au niveau de pièces de forme compliquée ou faisant partie d'un édifice spécifique. Toutefois, à ce jour aucune solution n'a encore été proposée pour remédier aux inconvénients décrits ci-dessus. En théorie, une solution pourrait consister à revêtir les substrats carbonés d'une couche protectrice apte à résister à la corrosion de l'aluminium. Cela supposerait que l'on soit capable de mettre au point un procédé de fabrication d'un revêtement qui soit continu, dur, étanche et propre à résister contre l'abrasion et la corrosion de l'aluminium chargé d'alumine. Le document intitulé "The effect of carbide formation on the mechanical behaviour of carbon-aluminium composites", Vol. 14, No. 4, Novembre 1969, pages 236-241, décrit un procédé d'élaboration de matériaux composites en carbone et en aluminium. Ce matériau composite est obtenu au moyen d'un procédé d'extrusion mettant en oeuvre des fibres de carbone de longueur environ égale à 2500 um et de la poudre d'aluminium. Selon cette publication, il semblerait que du carbure d'aluminium puisse se former de manière continue à la surface des fibres de carbone. Cela étant, cette publication ne donne aucune indication relative aux propriétés de la couche de carbure d'aluminium formée. Elle ne dit pas si la couche de carbure d'aluminium est dure, étanche, si elle protège de la corrosion et de l'abrasion. Qui plus est, le procédé mis en oeuvre dans cette publication ne saurait être applicable à la résolution des problèmes industriels ci-dessus évoqués. En effet, les matériaux de départ utilisés dans le procédé conforme à cette publication sont d'une part des fibres de carbone de faibles longueurs, et d'autre part de la poudre d'aluminium. Or, il s'agit, pour résoudre les problèmes industriels ci-dessus indiqués, de mettre en oeuvre des pièces en matériaux carbonés pouvant avoir un volume allant jusqu'à un mètre cube. Par conséquent, pour résoudre les problèmes industriels en question, cette publication n'est pas d'une grande utilité. En outre, il est indiqué dans cette publication que du carbure d'aluminium protecteur se formerait quelle que soit la nature physico-chimique du substrat carboné mis en jeu. Or, à l'issue de recherches longues et approfondies, la Société Demanderesse a constaté que tel n'était pas le cas et que, bien au contraire, seule une sélection rigoureuse du substrat carboné pouvait permettre la formation d'une couche de carbure d'aluminium protecteur. Il existe donc toujours un besoin de mettre au point un procédé de fabrication d'un revêtement en carbure d'aluminium sur un substrat carboné, ce revêtement devant être continu, dur, étanche et apte à protéger le substrat carboné contre l'abrasion et la corrosion de l'aluminium liquide, étant entendu que le substrat carboné peut avoir une forme et une dimension quelconque. Or la Demanderesse a le mérite d'avoir trouvé qu'il est possible d'atteindre ce but dès lors que l'on met en oeuvre un substrat carboné présentant trois propriétés physico-chimiques bien particulières - une orientation cristalline superficielle (due à un dépôt de pyrocarbone), - un coefficient d'expansion thermique compris entre 2 x 10-6 m/K et 6 x 10.6 m/K et - une porosité totale inférieure à 10 % et que l'on dépose sur ce substrat une couche essentiellement constituée d'aluminium, l'ensemble étant ensuite soumis à un traitement thermique avant que le carbure d'aluminium ne soit soumis à une oxydation superficielle et partielle. Le mérite de la Société Demanderesse est d'autant plus grand que le revêtement obtenu conformément à ce procédé présente non seulement les avantages ci-dessus mais qu'il présente en outre l'avantage de se régénérer spontanément au contact d'aluminium liquide, dans l'éventualité où une contrainte de nature quelconque aurait provoqué la fissuration, le détachement ou le décollement d'une partie du revêtement. Or, les revêtements en carbure d'aluminium n'étaient nullement connus jusqu'alors pour leur aptitude à se régénérer en présence d'aluminium liquide. Par conséquent, le procédé conforme à l'invention de fabrication d'un revêtement en carbure d'aluminium sur un substrat carboné est caractérisé par le fait qu'il com prend - une première étape consistant à déposer, à la surface du substrat carboné, une couche de pyrocarbone pour initialiser l'orientation de la couche de carbure d'aluminium, ledit substrat carboné étant choisi parmi ceux présentant un coefficient d'expansion thermique compris entre 4 x 10-6 m/K et 6 x 10-6 m/K, et une porosité inférieure à 10 %, - une deuxième étape consistant à déposer une couche essentiellement constituée d'aluminium, c'est-à-dire comprenant de l'aluminium dans une quantité supérieure ou égale à 90 %, exempt de titane et de magnésium, sur le substrat carboné, - une troisième étape consistant à traiter thermiquement l'ensemble ainsi obtenu, constitué par le substrat carboné et la couche essentiellement constituée d'aluminium, - une quatrième étape consistant à oxyder, de façon superficielle et partielle, le carbure d'aluminium. Selon un premier mode de réalisation avantageux de la deuxième étape du procédé conforme à l'invention, on dépose une couche d'aluminium en immergeant le substrat carboné dans un bain d'aluminium liquide entre 800"C et 1000"C. Cette façon de mettre en oeuvre la deuxième étape présente l'avantage d'être simple, économique et accessible sur la plupart des sites métallurgiques. I1 est avantageux, lorsque l'on procède par immersion du substrat carboné dans un bain d'aluminium, de fixer la température du bain d'aluminium liquide entre 800 et 1000"C, et de maintenir l'action du bain pendant une durée comprise entre 10 heures et 25 heures, en fonction de la température de l'aluminium. Selon un autre mode de réalisation avantageux de la deuxième étape du procédé selon l'invention, on dépose l'aluminium en le pulvérisant sur le substrat par plasma atmosphérique ou non. Cette manière de procéder est égale ment simple, économique et efficace. De préférence, dans cette deuxième étape, on dépose une couche d'aluminium d'épaisseur comprise entre 10 et 100 pm, de préférence entre 10 et 20 um. Un dépôt présentant une épaisseur comprise dans les intervalles mentionnés se révèle être optimal en ce sens qu'il est d'une part suffisamment épais pour être protecteur, et d'autre part suffisamment mince pour être encore bien adhérent au substrat carboné. Dans le cas d'un dépôt de pyrocarbone, l'épaisseur de la couche d'aluminium doit permettre la carburation de celui-ci ainsi que la carburation partielle du matériau carboné sous-jacent. En ce qui concerne la mise en oeuvre de la troisième étape du procédé selon l'invention, celle-ci est de préférence réalisée sous atmosphère inerte à une température comprise entre 900 et 12000C, de préférence entre 1000 et 11000C pendant une durée comprise entre 50 et 300 heures, de préférence entre 100 et 200 heures. I1 est avantageux, apres la mise en oeuvre de la troisième étape du procédé, de faire croître une couche d'alumine à partir de la couche de carbure d'aluminium obtenue à l'issue de cette troisième étape, l'épaisseur de cette couche d'alumine étant comprise entre 5 et 20 um et de préférence entre 5 et 10 um. Ce résultat est obtenu par oxydation à l'air, après polissage du carbure, par un traitement de 50 heures à 1100 C. De cette manière, on augmente la capacité du revêtement à résister à l'action corrosive de l'aluminium. I1 s'agit donc d'un traitement thermique susceptible d'être effectué dans toute industrie métallurgique ; en effet, le matériel requis est simple et les conditions du traitement tout à fait classiques. Le procédé conforme à l'invention peut être notamment utilisé dans l'industrie de l'aluminium. Sa mise en oeuvre est simple. Le résultat obtenu est remarquable : la durée de vie des matériaux carbonés se trouve nettement augmentée. De plus, si une contrainte extérieure provoque la rupture du revêtement ou provoque des défauts à la surface du revêtement, celui-ci est susceptible de se reformer spontanément. L'invention pourra être mieux comprise à l'aide de l'exemple non limitatif qui suit et dans lequel est indiqué un mode de réalisation avantageux de l'invention. Cet exemple est décrit en reférence aux photographies annexées - la figure 1 représente une micrographie d'un revêtement en carbure d'aluminium sur un substrat carboné, le grossissement étant de 100, - la figure 2 représente une micrographie analogue à la figure 1, le grossissement étant de 500. EXEMPLE L'exemple concerne la fabrication d'un revêtement en carbure d'aluminium sur un substrat en matériau composite commercialisé sous l'appellation C/C Sepcarb par la S.E.P. Ce matériau composite présente une composition constituée à 99,9 % de carbone et sa surface est recouverte d'une couche de 20 um de pyrocarbone. Son coefficient d'expansion thermique est de 2.10-6 m/K et sa porosité de 10 %. On se propose de réaliser le revêtement en carbure d'aluminium par mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention. Compte tenu du fait que ce matériau comporte déjà une couche de pyrocarbone, on met en oeuvre directement la deuxième étape du procédé selon l'invention : on dépose une couche de 15 pm d'aluminium par pulvérisation cathodique sur le substrat en C/C Sepcarb. Sur cette couche d'aluminium, peut être déposée une couche de 2 pm d'alumine par pulvérisation cathodique pour améliorer la protection. On met alors en oeuvre la troisième étape du procédé en portant l'ensemble constitué par le substrat, la couche d'aluminium (et la couche d'alumine) à une température de 1000 C pendant 90 heures sous une pression d'argon de 2.10-4 Pascal à 25"C. La figure 3 montre une micrographie au microscope électronique à balayage du substrat et du revêtement en carbure d'aluminium obtenu ; le grossissement utilisé est de 100. On observe que le revêtement présente une épaisseur d'environ 5 um, qu'il est bien adhérent au substrat et quasiment sans défaut. La figure 4 montre un agrandissement de la figure 3, le grossissement utilisé étant de 2000. Cette figure 4 met mieux en évidence encore que la figure 3 la qualité du revêtement. Elle permet notamment d'observer la densité élevée et l'homogénéité du revêtement. I1 résulte de cet exemple que la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention permet la fabrication de revetements en carbure d'aluminium durs, homogènes, denses, adhérents, étanches et quasiment exempts de défauts. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un revêtement en carbure d'aluminium sur un substrat carboné, caractérisé par le fait qu'il comprend - une première étape consistant à déposer, à la surface du substrat carboné, une couche de pyrocarbone, ledit substrat carboné étant choisi parmi ceux présentant un coefficient d'expansion thermique compris entre 4.10.6 m/K et 6.10-6 m/K, et une porosité inférieure à 10 %, - une deuxième étape consistant à déposer une couche constituée d'au moins 90 % d'aluminium, exempt de titane et de magnésium sur le substrat carboné, - une troisième étape consistant à traiter thermiquement l'ensemble ainsi obtenu, constitué par le substrat carboné et la couche essentiellement constituée d'aluminium, - une quatrième étape consistant à oxyder, de façon superficielle et partielle, le carbure d'aluminium. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que, dans la deuxième étape, on dépose l'aluminium en immergeant le substrat carboné dans un bain d'aluminium liquide. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'on fixe la température du bain d'aluminium liquide entre 800 et 1000 C et que l'on maintient l'action du bain pendant une durée comprise entre 10 et 25 heures. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que, dans la deuxième étape, on dépose l'aluminium en le pulvérisant sur le substrat par plasma atmosphérique ou non. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que, dans la deuxième étape, on dépose une couche d'aluminium d'épaisseur comprise entre 10 et 100 ,um et de préférence entre 10 et 20 ,um. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que la troisième étape est réalisée sous atmosphère inerte à une température comprise entre 900 et 1200"C, de préférence entre 1000 et 1100 C, pendant une durée comprise entre 50 et 300 heures, de préférence entre 100 et 200 heures. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait qu'après la mise en oeuvre de la troisième étape, on fait croître une couche d'alumine à partir de la couche de carbure d'aluminium obtenue à l'issue de la deuxième étape, l'épaisseur de cette couche d'alumine étant comprise entre 5 et 20 ,um et de préférence entre 5 et 10 pm. 8. Utilisation du procédé selon quelconque des revendications précédentes dans l'industrie de l'aluminium. 9. Substrat carboné comportant un revêtement en carbure d'aluminium dur, étanche, apte à résister à la corrosion et à l'abrasion et apte à se reformer spontanément au contact de l'aluminium liquide, susceptible d'être obtenu par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.