Brevet FR2756756A1 — publié le 19980612

Procédé et dispositif pour la réalisation d'un revêtement sur un substrat La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour la réalisation d'un revêtement sur un substrat et, plus particulièrement, la réalisation de dépôts thermiques sur un substrat au moyen de particules en fusion qui sont animées d'une énergie cinétique. Les revêtements sont généralement obtenus par projection d'une poudre ou d'un mélange de poudres sur le substrat à revêtir, de manière à conférer au dit substrat des propriétés de dureté, de résistance à l'usure et/ou à la corrosion, de bonne lubrification, ou de les rendre meilleurs conducteurs d'électricité. La poudre ou le mélange de poudres sont projetés sur le substrat par une technique connue sous la dénomination générique de projection thermique qui est effectuée généralement sous air ou sous basse pression au moyen de dispositifs spéciaux connus par exemple sous les sigles VPS (vacuum Plasma Spray), LPPS (Low Pressure Plasma Spray), CAPS (Controlled Atmosphere Plasma Spraying), APS (Atmospheric plasma spraying), IPS (inert gas plasma spraying) ou HVOF (High Velocity oxyfuel spraying). Après préparation du substrat par toute technique appropriée telle que le sablage et avant la projection proprement dite, il est usuel de préchauffer la pièce ou substrat à traiter et ce, afin d'améliorer les caractéristiques de la couche déposée sur ledit substrat comme par exemple l'adhérence, l'état de contrainte. Une telle technique est décrite dans les documents (DE 42 20 063 - FR 2 681 538 - J-03050169A, J-01139749A). Toutefois, le chauffage préalable du substrat à traiter à l'atmosphère ambiante induit un risque d'oxydation du dépôt et/ou du substrat du fait de la réactivité du substrat et/ou des particules de poudre projetées vis-à-vis de l'air. I1 est donc nécessaire de définir de manière très précise les conditions du dépôt en maintenant constamment un équilibre thermique en modifiant les déplacements relatifs des organes en mouvement les uns par rapport aux autres et en utilisant des moyens de refroidissement. Cependant, de tels procédés de réalisation d'un dépôt métallique, céramique, céramométallique ou organométallique, présentent de nombreux inconvénients. Parmi ces derniers, on peut citer une forte amplitude de variation de la température du substrat au point ou zone d'impact des particules au cours du dépôt, une température non homogène de la couche de particules déposées, ce qui peut induire des tensions internes dans ladite couche, la variation de température étant due à une maîtrise imparfaite des conditions de chauffage ; de même, les énergies superficielles substrat/particules en fusion peuvent être totalement inadaptées notamment lorsque l'énergie à la surface du substrat est faible, ce qui conduit à une mauvaise adhérence des particules en fusion sur le substrat et/ou une mauvaise cohésion du dépôt. Un inconvénient majeur est que les techniques actuelles de préchauffage du substrat sont totalement inadaptées pour des substrats constitués par des pièces de grandes dimensions. En effet, il est difficile de préchauffer une pièce de grandes dimensions dans sa totalité avant la projection thermique, car on dispose rarement de moyens adaptés pour réaliser un tel préchauffage. Un autre inconvénient réside dans le fait que lorsque la température de refroidissement n'est pas contrôlée de façon satisfaisante, on aboutit à une couche de revêtement ou de dépôt non homogène. Une solution pour remédier à cet inconvénient et applicable sur des pièces notamment de grandes dimensions est de les traiter mécaniquement avant la projection thermique puis de construire la couche de revêtement par de nombreux passages successifs, chaque passage produisant une mince partie de la couche de revêtement, une telle solution permettant de réduire les tensions internes se développant lors de la projection des particules et de les stabiliser à des valeurs acceptables. On connaît aussi des techniques de refroidissement soit par jet d'air, soit par pulvérisation de fluide cryogénique, soit par pulvérisation d'eau, comme cela est décrit par exemple dans EP-A-0 546 359 ou DE-A-2 615 022. Toutes ces techniques consistent à maintenir l'ensemble de la pièce à traiter à basse température, de manière à éviter la déformation ou la décomposition du substrat, mais ne permettent pas d'augmenter l'adhérence de la couche de revêtement ni sa densité. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précités et de proposer un procédé et un dispositif pour revêtir, par projection thermique, des pièces de structure et de dimensions différentes sans qu'il soit nécessaire de les adapter au type de substrat ou pièce à traiter. La présente invention a pour objet un procédé de réalisation selon lequel on projette des particules en fusion animées d'une énergie cinétique sur une surface d'un substrat qui est préalablement chauffée, le procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à chauffer chaque zone du substrat à revêtir juste avant l'impact des particules, le reste du substrat demeurant à la température ambiante, et à refroidir chaque dite zone revêtue immédiatement après le dépôt du revêtement puis à recommencer séquentiellement la précédente opération, zone après zone, jusqu'à ce que ladite surface soit totalement revêtue. Le chauffage local du substrat est effectué avec un moyen à haute énergie (flamme, induction, laser, faisceau d'électrons, plasma), immédiatement avant l'arrivée des particules de manière à bénéficier d'une température élevée en surface au moment de l'impact des particules tout en minimisant le transfert thermique dans le substrat. De même, le refroidissement de la surface est réalisé par des moyens énergiques, tels que des gaz liquéfiés pulvérisés, immédiatement après le dépôt des particules afin de minimiser toujours le transfert thermique dans le substrat. Le procédé selon l'invention permet ainsi d'obtenir un dépôt adhérent, cohésif et dont le niveau de contraintes résiduelles est fortement réduit par rapport à ce qui est réalisé avec les procédés de l'art antérieur. Un autre objet de la présente invention est un dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé, le dispositif étant caractérisé en ce qu'au moins lesdits moyens de chauffage et de projection sont animés d'un mouvement relatif par rapport au substrat, lesdits moyens de chauffage étant disposés en amont des moyens de projection de particules, de sorte que chaque zone du substrat à revêtir soit chauffée immédiatement avant le dépôt des particules sur ladite zone. Un avantage de la présente invention réside dans le fait qu'en limitant la zone chauffée du substrat et en maintenant le reste du substrat à la température ambiante, on évite ou on diminue très fortement l'oxydation ou la nitruration du substrat pendant la projection des particules. Un autre avantage est une meilleure adhérence du dépôt du fait du choix de la température de la zone d'impact sur le substrat en relation avec son énergie superficielle. En effet, en fonction de la nature et de la structure du substrat, il est possible de sélectionner une température de chauffage appropriée, de sorte que la différence entre les températures des particules projetées et du substrat peut être ajustée à une valeur qui améliore l'adhérence des particules sur le substrat. De même, les contraintes internes susceptibles de se développer dans le substrat, ainsi que la porosité et les microfissures, sont fortement diminuées en raison du refroidissement subséquent qui est effectué immédiatement après le dépôt des particules sur la zone revêtue. Les actions combinées du chauffage de la zone avant dépôt et du refroidissement de la même zone immédiatement après le dépôt, permettent de mieux maîtriser le dépôt proprement dit. Par ailleurs, le mouvement relatif entre le substrat et les moyens de chauffage, de projection de particules et de refroidissement, est déterminé par exemple en fonction des dimensions dudit substrat, bien que d'autres considérations puissent être prises en compte. Dans un premier mode de fonctionnement, on peut maintenir fixe le substrat et déplacer chacun ou tous les moyens s'ils sont montés en tandem devant le substrat fixe, zone après zone, jusqu'à ce que toute la surface du substrat soit revêtue par le dépôt souhaité. Mais selon un deuxième mode de fonctionnement, on peut déplacer le substrat, toujours zone après zone, devant les divers moyens précités. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux à la lecture de la description d'un mode de réalisation préféré de l'invention, ainsi que des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif selon la présente invention pour un substrat en rotation, - la figure 2 est une vue de dessus et schématique du dispositif selon la présente invention pour un substrat fixe, Le procédé selon l'invention consiste à chauffer une zone de surface déterminée d'un substrat à revêtir d'un dépôt, puis à projeter immédiatement après une poudre ou un mélange de poudres sur ladite zone à l'aide de moyens de projection thermique, puis à refroidir aussi immédiatement après ladite zone revêtue à l'aide de moyens de refroidissement connus en soi. Cette séquence d'opérations peut être effectuée soit en maintenant fixe le substrat et en déplaçant d'un seul bloc lesdits moyens de chauffage, de projection et de refroidissement qui constituent un ensemble dit de revêtement, soit en maintenant fixe ledit ensemble de revêtement et en déplaçant le substrat, soit en déplaçant le substrat et l'ensemble de revêtement, dans des directions et avec des vitesses de déplacement (rotation ou translation) qui sont définies de telle sorte qu'une zone soit traitée, comme précisé ci-dessus, avant que la zone consécutive ne soit traitée à son tour, et ce, jusqu'au recouvrement total de la surface du substrat à revêtir avec l'épaisseur désirée du dépôt. Bien évidemment, les déplacements peuvent être verticaux et/ou horizontaux ou encore en rotation, la combinaison des déplacements étant choisie en fonction notamment des dimensions du substrat, de sa forme ou de tout autre paramètre lié directement ou non au substrat. Le dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'invention comprend un ensemble 1 constitué par au moins un support 2 qui se déplace de façon relative par rapport à un substrat 3 à revêtir d'un dépôt, et sur lequel sont montés au moins des moyens 4 de projection thermique, des moyens de chauffage 5, montés en amont des moyens de projection 4, et des moyens de refroidissement 6 disposés en aval des moyens de projection 4. Dans le mode de réalisation de la figure 1, le substrat 3 est constitué par une pièce 7 de grandes dimensions et de forme cylindrique ; la face externe 8 doit être revêtue d'un dépôt métallique dont les composants sont disposés dans la réserve d'un chalumeau par exemple du type CDS vendu par la société PLASMA TECHNIK, le chalumeau 4 projetant les composants sous forme de poudres avec une grande énergie et sous une forte température sur ladite face 8. Les trois éléments 4 à 6 de l'ensemble sont situés dans un même plan horizontal ou à tout le moins leurs extrémités, de sorte que la zone de la face externe 8 soit traitée successivement par chacun des trois éléments. Les dimensions de chaque zone 9 à traiter sont définies par la surface d'impact des moyens de projection 4, laquelle surface d'impact est de l'ordre de quelques centimètres carrés et plutôt de l'ordre du centimètre carré. Dans le dispositif de la figure 1 et en raison des dimensions de la pièce 7 qui se déplace avec une vitesse de rotation déterminée et dans le sens de la flèche 10, l'ensemble 1 se déplace verticalement de manière à balayer des zones 9 successives et situées à des niveaux différents, les diverses zones successives étant situées sur des sinusoïdes fictives au fur et à mesure des passes effectuées par le dispositif. On pourrait, si cela s'avérait nécessaire ou préférable, déterminer un mouvement relatif différent entre le dispositif et la pièce 7 de manière à réaliser le dépôt sur une bande circonférentielle 11 et de traiter ladite pièce 7, bande après bande, mais en gardant la même séquence d'opérations chauffage-projection-refroidissement ainsi que cela fut indiqué précédemment à propos du procédé. Dans une réalisation selon la figure 1, la zone à traiter 9 est chauffée à une température de l'ordre de 400"C. Immédiatement après le chauffage et comme indiqué ci-dessus, la zone chauffée est amenée en regard de la torche de projection 4. Comme la zone est déjà portée à une température donnée et que la température de projection est de l'ordre de 1100 C, on diminue l'écart en température entre la poudre en fusion et la pièce, permettant ainsi un meilleur étalement du dépôt. Dans une autre étape, et immédiatement après le dépôt, la zone 9 est amenée en regard d'au moins une buse à travers laquelle est projeté du CO2 liquide ou un autre fluide cryogénique. Ce refroidissement rapide, immédiatement après la projection, constitue en fait une trempe qui solidifie le dépôt et le fait mieux adhérer à la pièce 3, en préservant sa structure. De préférence, la température de refroidissement est inférieure à la température d'oxydation et/ou de déformation du substrat évitant ainsi une oxydation de ladite pièce et/ou des composants métalliques de la poudre. La séquence des opérations qui vient d'être décrite est effectuée de manière continue depuis le chauffage jusqu'au refroidissement. Diverses manières de revêtir la pièce 3 peuvent être mises en oeuvre. Dans un autre mode, on peut ne faire qu'une passe de quelques microns sur chaque zone et revêtir la face externe 8 d'une première couche, puis recommencer les mêmes opérations autant de fois que nécessaire jusqu'à l'obtention de l'épaisseur finale du dépôt, chaque couche constituant alors une sous-couche pour la couche suivante. Dans le dispositif de la figure 2, le substrat est constitué par exemple par une plaque 12 fixe. Le support 2 est, dans ce cas mobile en translation suivant la flèche 13. De la même manière que précédemment à propos de la figure 1 les moyens de chauffage 5 chauffent une zone donnée 16 pour la porter à une température prédéterminée avant qu'elle passe devant les moyens de projection 4 pour recevoir un dépôt. Pendant qu'une partie de la zone 15 est revêtue, les moyens de refroidissement 6 refroidissent la zone 14 qui a déjà été revêtue. Cela est programmé automatiquement par un programme qui prend en compte tous les paramètres du dépôt et qui organise la séquence des opérations avec les vitesses relatives appropriées entre le dispositif 2 et la pièce à traiter. A chaque extrémité du substrat 12, le système est soit inversé soit ramené du côté du départ par un chemin extérieur. Grâce à la présente invention, on obtient des pièces revêtues qui présentent une très bonne tenue à la corrosion, comme l'attestent les chiffres du tableau 3 et une très forte dureté (tableau 4). Le tableau 3 présente à titre d'exemple les résultats obtenus pour un revêtement du type NiCrBSi déposé sur un substrat en aluminium en utilisant d'une part une méthode conventionnelle et d'autre part le procédé selon l'invention. I1 s'agit de résultats de tests de corrosion réalisés en milieu H2SO42N normalement aéré avec une vitesse de balayage en potentiel de 1 mVsec-l. On voit nettement, dans ce cas, que l'intensité du courant passif avec le revêtement conventionnel ne permet pas une protection contre la corrosion alors qu'avec le procédé selon l'invention le revêtement se comporte aussi bien voire mieux qu'un acier inoxydable. Le tableau 4 présente les résultats en microdureté de ce même dépôt obtenus sous 300 g de charge. Le procédé selon l'invention permet d'obtenir des résultats supérieurs à ceux d'un alliage massif, ce que ne permettent pas les procédés conventionnels. A titre d'exemple et pour un substrat constitué par un cylindre de diamètre 250 mm et d'un mètre de longueur, les conditions opératoires sont les suivantes torche de projection HVOF - méthane 220 1/minute - 2 440 1/minute - gaz poudre 15 1/minute - poudre de FeNiCrBSi 75 g/minute brûleur: - O2/C2 H2 1000 minute - largeur de flamme 50 mm - température de chauffage 300"C buse: - CO2 50 kg/heure - diamètre 25 mm - température de refroidissement ambiante - vitesse de rotation du cylindre 200 t/minute - déplacement torche projection 1 m/minute Avec les paramètres de dépôt ci-dessus, on a obtenu un revêtement de 0,6 mm d'épaisseur et d'une dureté supérieure à 850 Hv (dureté Vickers), la porosité du revêtement étant invisible avec un grossissement 1000 d'un microscope optique et qui est, en tout état de cause, inférieure à 1 %. Le dispositif selon l'invention est peu encombrant et peut être transporté pour faire une réparation sur site si besoin était, notamment pour les pièces très lourdes et de grandes dimensions. TABLEAU 3 Etat de référence I passif (A.cm-2) Revêtement NiCrBSi 3 500 à 7 500 revêtement classique Revêtement NiCrBSi 40 nouveau procédé Acier inox austénitique de type 54 316 L massif TABLEAU 4 Etat de référence Dureté Hv300 FeNiCrBSiC déposé selon procédé thermique classique 650 f 150 FeNiCrBSiC déposé selon le procédé de l'invention 870 + 75 FeNiCrBSiC à l'état d'alliage massif ou refondu 800 + 50 REVENDICATIONS 1. Procédé du type selon lequel on projette des particules en fusion animées d'une énergie cinétique sur une surface d'un substrat qui est préalablement chauffée, caractérisé en ce qu'il consiste à chauffer chaque zone du substrat à revêtir juste avant l'impact des particules, le reste du substrat étant à la température ambiante, et à refroidir chaque dite zone revêtue immédiatement après le dépôt du revêtement puis à recommencer séquentiellement la précédente opération, zone après zone, jusqu'à ce que ladite surface soit totalement revêtue. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la zone qui est chauffée est sensiblement égale à la surface d' impact des particules. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque zone est chauffée sur une épaisseur très réduite. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la température de chauffage dépend de la nature du substrat. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température de refroidissement est inférieure à la température d'oxydation et de déformation du substrat. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 5, caractérisé en ce que les moyens de refroidissement sont constitués par une projection d'un fluide cryogénique tel que du CO2 liquide. 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de chauffage et de projection de particules sont animés d'un mouvement relatif par rapport au substrat, le pas du mouvement relatif étant égal à la surface de la zone à revêtir. 8. Dispositif selon la revendication 1, du type comprenant des moyens de chauffage, des moyens de projection de particules et des moyens de refroidissement caractérisé en ce qu'au moins lesdits moyens de chauffage et de projection sont animés d'un mouvement relatif par rapport au substrat, lesdits moyens de chauffage étant disposés en amont des moyens de projection de particules, de sorte que chaque zone du substrat à revêtir soit chauffée immédiatement avant le dépôt des particules sur ladite zone. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que les moyens de refroidissement sont disposés en aval desdits moyens de projection et sont animés du même dit mouvement relatif par rapport au substrat. 10. Dispositif selon les revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que les températures de chauffage et de refroidissement sont choisies en fonction de la nature du substrat et des particules projetées.