Brevet FR2765915A1 — publié le 19990115

Procédé de fabrication d'une culasse à sièges de soupape intégrés et culasse à sièges de soupape intégrés. La présente invention concerne de manière générale un procédé de fabrication d'une culasse à sièges de soupape intégrés, en particulier une culasse en alliage d'aluminium pour moteur à combustion interne. Plus particulièrement, la présente invention concerne un procédé de fabrication de sièges de soupape intégrés dans une culasse par dépôt par plasma à arc transféré d'une couche d'alliage de revêtement sur des zones de sièges d'une culasse brutes de fonderie, en particulier une culasse en alliage d'aluminium. La technologie actuelle courante de fabrication des sièges de soupape d'une culasse d'un moteur consiste à insérer par frettage dans des logements ménagés à cet effet dans la culasse des sièges rapportés (inserts) en acier coulé ou fritté. Cette technique nécessite un usinage précis des logements de réception des inserts et requière des épaisseurs relativement importantes de la paroi entre la chambre de combustion et le circuit de refroidissement dans la culasse. De plus, l'emploi d'inserts pour la réalisation des sièges de soupape laisse une couche d'air entre l'insert et la culasse qui constitue une barrière thermique nuisant au transfert thermique entre la chambre de combustion et la culasse. La mise en place par frittage d'un insert induit des contraintes dans la culasse, notamment dans la zone du pontet intersiège. Les cyles thermiques propres au fonctionnement des moteurs provoquent des contraintes thermomécaniques importantes sur le couple insertculasse. Ces contraintes thermomécaniques peuvent conduire à la fissuration de la culasse dans la zone intersièges, du pontet ou au déchaussement du siège rapporté. Outre la culasse, la soupape est l'élément le plus sollicité dans cette configuration car elle doit évacuer une grande quantité de chaleur. De ce fait, sa fabrication nécessite des techniques de pointe telles que l'emploi de multimatériaux et le stellitage. Par conséquent, il serait souhaitable de disposer d'un procédé de fabrication des sièges de soupape d'une culasse de moteur qui remédie aux inconvénients associés aux sièges de soupapes rapportés. On a proposé dans le document JP-A-61-76742, de réaliser des sièges de soupapes intégrés. L'approche choisie dans ce document est le dépôt par faisceau laser de couches de revêtements d'alliages spécifiques sur des zones de siège de la culasse. Le dépôt par faisceau laser est avantageux en ce qu'il permet des vitesses de refroidissement rapides et une gestion énergétique du procédé de fabrication des sièges de soupape. Ce procédé permet d'obtenir des dépôts avec une dilution réduite et ayant une microstructure typique de refroidissement rapide. Plus particulièrement, le document JP-A-61-76742 décrit un procédé de fabrication de sièges de soupape intégrés dans une culasse en alliage léger dans lequel la zone des sièges de la culasse est renforcée par des fibres céramiques lors de la coulée de la culasse et qui consiste à former une couche d'un matériau anti-usure au moyen d'un faisceau laser. En pratique, le matériau de revêtement est déposé sous forme d'une pâte sur les zones de siège de la culasse, puis fondu au moyen d'un faisceau laser et refroidi rapidement à l'air. Les matériaux de revêtement sont des alliages très spécifiques, en poids Sièges de soupapes d'échappement Sièges de soupapes d'admission Co Complément 10 Cr 10 - - W s - - Mo 1 8 5 6 5 V 0,5 - - C 1,5 1 1 0,8 Fe - Complément Complément Ni - 2 2 30 Cu - - - Complément 4,5 Al - - - - Complément Si - - - - 17 ayant les compositions suivantes Le procédé du document JP-A-6 1-74742 présente plusieurs inconvénients. Tout d'abord, l'utilisation d'un renforcement fibreux dans l'alliage de la culasse dans les zones de siège complique passablement le procédé. En effet, il faut introduire à la coulée une préforme fibreuse avec les problèmes de mouillabilité qui en découlent. D'autre part, le siège intégré réalisé a un encombrement équivalent aux sièges rapportés. L'utilisation d'un faisceau laser comme source d'énergie impose que la surface de la zone de siège sur laquelle s'effectuera le dépôt soit homogène, c'est-à-dire sans irrégularités superficielles pouvant diffuser le faisceau de façon aléatoire afin d'obtenir un chauffage uniforme en tout point de la zone de siège. Une étape de polissage de la zone de siège de la culasse est par conséquent nécessaire. Enfin, le diamètre du bain fondu créé par le faisceau laser est incompatible avec un rendement élevé car toute la poudre en dehors du bain ne participe pas à la formation de la couche de revêtement. La présente invention a donc pour objet un procédé de fabrication d'une culasse à sièges de soupape intégrés qui remédie aux inconvénients de l'art antérieur, et en particulier qui ne nécessite pas l'emploi d'un renforcement fibreux dans les zones de siège de la culasse. La présente invention a encore pour objet un procédé de fabrication d'une culasse à sièges de soupape intégrés qui ne nécessite pâs un usinage, et en particulier un polissage des zones de siège de la culasse. La présente invention a aussi pour objet un procédé de fabrication d'une culasse à sièges de soupape intégrés qui remédie aux inconvénients du dépôt par faisceau laser. Les objectifs ci-dessus sont atteints selon l'invention par un procédé de fabrication d'une culasse en alliage léger, de préférence en alliage d'aluminium, comportant des sièges de soupape intégrés, qui comprend: - l'obtention d'une culasse en alliage léger brute de fonderie comportant des zones de siège de soupape; - le dépôt par plasma à arc transféré sur les zones de siège d'une couche de revêtement d'un alliage ayant la composition suivante, en pourcent en poids Ni 13-20 Mo 2- 8 Co 0-10 Fe 2- 8 Si 2- 4 B 1- 3 Cu Complément ; et - l'usinage de la couche de revêtement pour obtenir la géométrie et l'état de surface voulus pour les sièges de soupape intégrés. Un alliage préféré selon l'invention est l'alliage ayant la composition suivante, en pourcent en poids Ni 18 Mo 6 Co 6 Fe 6 Si 3 B 1 Cu Complément. Le procédé de l'invention peut en outre comporter, préalablement à l'étape de dépôt de la couche de revêtement formant siège de soupape, un nettoyage des zones de siège de la culasse au moyen d'un décapant, par exemple un décapant pour brasage sur aluminium tel que le décapant Castolin8 C 190 dans le cas d'une culasse en alliage d'aluminium. Cette étape de décapage améliore la liaison métallurgique entre la couche de revêtement et les zones de siège de la culasse et permet l'élimination des impuretés telles que les oxydes et graisses résiduelles. Le dépôt d'une couche de revêtement par projection par plasma à arc transféré est une technique de revêtement connue en elle-même. Brièvement, on utilise une torche à plasma à arc transféré, par exemple une torche Castolin8 type GAP-E52. Le gaz de gainage et le gaz porteur sont généralement de l'hélium, cependant que le gaz plasmagène est généralement de l'argon. La poudre ayant la composition voulue pour le revêtement est injectée par la torche au pied de l'arc. Le cycle de dépôt comporte trois phases. Une phase d'amorçage de l'arc, une phase de dépôt d'une couche de revêtement sur la zone du siège, et une phase d'extinction de l'arc avec effet anti-cratère. La durée du cycle de dépôt dépendra bien évidemment de l'épaisseur voulue pour le dépôt, de la composition de la poudre et des conditions d'obtention du plasma. En général, le cycle complet dure environ 20 secondes pour l'obtention d'une couche de revêtement ayant une épaisseur de 0,5 à 1,2 mm. Lors de la phase d'amorçage après l'ouverture des gaz, on procède à l'amorçage de l'arc pilote entre la cathode et la tuyère de la torche, puis à celui de l'arc principal entre la cathode et la culasse. On injecte alors la poudre de l'alliage de revêtement et on initie le déplacement de la torche sur la zone de siège à revêtir avec un mouvement oscillant radial de celle-ci. La phase de dépôt consiste principalement à poursuivre le déplacement de la torche sur la zone de siège à revêtir en conservant les conditions établies dans la phase d'amorçage jusqu'à obtention du dépôt complet de la couche de revêtement. Au cours de cette phase, on applique un profil d'intensité d'arc décroissant tout le long de cette phase. La dernière phase du cycle est une phase d'extinction dans laquelle on procède à l'évanouissement de l'arc, puis on coupe l'arrivée de la poudre d'alliage et on arrête le déplacement de la torche. Enfin, on coupe en dernier les gaz. Cette phase d'extinction a pour but d'éviter la formation d'un cratère dans la couche de revêtement déposée. Au cours de cette étape de dépôt par plasma à arc transféré, la poudre d'alliage injectée au pied de l'arc forme un bain fondu sur la surface de la zone de siège de la culasse. Du fait de la conductivité thermique élevée du matériau constituant la culasse, par exemple un alliage léger, en particulier un alliage d'aluminium tel que l'alliage AS 5U3, il y a un refroidissement rapide de l'ensemble couche de revêtement/culasse. On obtient ainsi une microstructure très fine pour la couche de revêtement, ce qui favorise la résistance mécanique et chimique de la couche de revêtement. On a représenté schématiquement sur la figure 1, avant usinage, une couche de revêtement déposée sur une zone de siège de culasse par le procédé de l'invention. Comme on le voit sur la figure 1, il existe une interface 3 entre la couche de revêtement 2 et la culasse 1 qui constitue une liaison métallurgique entre l'alliage de la couche de revêtement 2 et l'alliage de la culasse 1. Cette inferface, qui est constituée d'une couche de diffusion de l'alliage du revêtement 2 dans celui de la culasse 1, garantit la tenue de la couche de revêtement formant le siège sur la culasse 1, notamment par le contrôle des composés intermétallîques (nature, volume et répartition). En général, cette interface aura une épaisseur de l'ordre de 100 pm et le taux de dilution de l'alliage de la couche de revêtement dans l'alliage de la culasse dans cette interface est maintenu à moins de 10% et même à moins de 5% en volume. Les couches de revêtement selon l'invention ont une microstructure composite particulière élaborée in situ lors du dépôt sur la culasse. Ces couches se composent d'une matrice 5 constituée par une solution solide dont la composition exacte dépend des constituants du revêtement dans laquelle sont dispersées des particules solides 6. -- Comme le montre la figure 1, le dépôt par plasma à arc transféré engendre dans l'alliage de la culasse 1 une zone thermiquement affectée 4 d'une profondeur d'environ 0,5 à 1 mm dans laquelle la microstructure de l'alliage de la culasse est affinée par rapport au reste de la culasse 1. Ceci est dû à la conductivité thermique généralement élevée des alliages de culasse, en particulier des alliages légers et tout particulièrement des alliages d'aluminium. Ainsi, pour l'alliage d'aluminium AS5U3, on a mesuré une dureté HVo 5 de 120 à 150 dans la zone thermiquement affectée, cependant que les parties qui ne sont pas affectées thermiquement par le procédé de l'invention ont une dureté HV0,5 de 80 environ. Les revêtements formant les sièges de soupape selon l'invention ont en général une épaisseur de 0,5 à 1,2 mm avant usinage, ce qui leur permet d'être auto-portants par rapport à la culasse afin de résister aux sollicitations mécaniques. Ils possèdent des caractéristiques mécaniques et thermiques très élevées, telles qu'une dureté HVo 5 allant de 200 à 500, une conductivité thermique supérieure à 30 W/m.K et un coefficient de dilatation thermique d'environ 18.10-6K-1 à une température de 4000C à 600"C (ce qui les rend compatibles avec les alliages de culasse, en particulier les alliages d'aluminium comme l'alliage AS5U3). En outre, ils présentent une résistance élevée à l'usure par érosion, abrasion et adhésion, à la corrosion chimique et thermique et une stabilité thermique élevée, en particulier vis-à-vis des alliages d'aluminium. Comme indiqué précédemment, la couche de revêtement est usinée pour obtenir la géométrie et l'état de surface voulus pour le siège de soupape. Cette étape d'usinage peut se faire lors de l'usinage du guide de soupape ou du logement du guide de soupape. Le procédé de l'invention présente de nombreux avantages par rapport à l'art antérieur. I1 permet de supprimer l'utilisation d'insert et supprime les opérations d'usinage des zones de siège et de frettage de la culasse. I1 permet de réduire l'encombrement de la culasse. Ainsi, il est possible de redéfinir le moule de fonderie pour supprimer de la matière dans les zones de siège. En diminuant l'encombrement du siège, on peut diminuer, à puissance égale, la taille du moteur ou augmenter sa puissance pour un même encombrement en augmentant le diamètre utile des sièges. On peut encore réduire l'épaisseur de la paroi de la chambre de combustion/circuit de refroidissement, ce qui favorisera les échanges thermiques entre la chambre de combustion et le circuit de refroidissement. En augmentant le transfert thermique vers la culasse, on diminue la température globale de la soupape ainsi que les gradients thermiques habituellement recontrés entre la portée et la tige. Cette homogénéisation de la température globale de la chambre avec la suppression des points chauds permet de réduire la consommation en carburant du moteur, particulièrement à haut régime. La diminution des sollicitations thermomécaniques sur la soupape peut permettre une simplification de l'usinage de celle-ci. Le procédé de l'invention assure également un renforcement de la zone du pontet intersiège en réduisant les contraintes thermomécaniques par rapport à celles induites par le frettage et la différence de coefficient de dilatation entre l'insert et la culasse. I1 serait également possible de supprimer l'insert de renforcement du pontet. Enfin, la liaison métallurgique et les matériaux utilisés pour réaliser les sièges intégrés sont compatibles avec une motorisation fonctionnant au gaz de pétrole liquide (GPL). La présente invention concerne également une culasse, en particulier une culasse en alliage d'aluminium, comportant des sièges de soupapes intégrés constitués par une couche de revêtement d'un alliage ayant les compositions indiquées précédemment dans le cadre du procédé de fabrication. A titre d'exemple, on a réalisé le dépôt d'une couche de revêtement de l'alliage Nil8-Mo6-Co6-Fe6-Si3-Bl-Cu sur des zones de siège d'une culasse en alliage d'aluminium AS5U3 brute de fonderie. Les zones de siège peuvent être initialement décapées avec une solution d'un décapant pour aluminium (CastolinB C 190) appliquée sur les zones de siège. On procède alors au dépôt de la couche de revêtement d'alliage sur les zones de siège par projection plasma à arc transféré avec une torche CastolinB type GAP-E52, dans les conditions suivantes Phase 1 - Amorçage et transfert d'arc. Gaz plasmagène: Argon 4 à 6 1/minute Gaz de gainage : Hélium 20 à 40 1/minutie Gaz porteur: Hélium 6 à 10 1/minute. Après ouverture des gaz, on procède à l'amorçage de l'arc pilote (cathode/tuyère) puis au transfert pour établir l'arc principal (cathode/culasse). L'intensité de l'arc principal est de 70 Ampères environ à son amorçage. On injecte la poudre d'alliage et on initie le déplacement de la torche sur la pièce avec un mouvement oscillant radial de la torche. Dans le présent exemple, la culasse est fixe et la torche est montée sur un robot 5-axes. La torche suit une trajectoire circulaire conforme à la zone de siège associée à un mouvement d'oscillation perpendiculaire à son déplacement principal. Enfin, la torche tourne sur elle-même afin de conserver la configuration de l'injecteur de poudre par rapport au déplacement. La vitesse de déplacement circulaire de la torche est comprise entre 200 et 450 mm/minute, cependant que l'oscillation s'effectue à une fréquence de 2 à 3 Hz sur une largeur de 3 mm environ. En variante, on peut employer une configuration dans laquelle on fait tourner la culasse (rotation par rapport à l'axe du siège) et une torche animée seulement de mouvements oscillants. Phase 2 - Cycle principal de dépôt. Le dépôt de la couche de revêtement s'effectue en conservant les paramètres cinématiques de la phase 1. Toutefois, on fait décroître, tout au long de cette phase, l'intensité de l'arc principal, par exemple de 70 à 60 Ampères, afin de maintenir des conditions identiques sur tout le périmètre du siège. La durée de cette phase de dépôt est en général de l'ordre de 15 à 20 secondes. Phase 3 - évanouissement de l'arc. On procède à l'évanouissement de l'arc, on coupe l'arrivée de la poudre d'alliage, et on arrête le mouvement. Enfin, on coupe l'arrivée des gaz. Pendant le traitement, la culasse est à température ambiante. La montée en température de l'aluminium est localisée à une zone proche de la surface (sous le pied d'arc, profondeur de fusion inférieure à 1 mm), car la conductivité thermique et la masse de la culasse sont élevées. On procède ensuite à l'usinage des sièges de soupape. Cette étape s'inscrit déjà dans la gamme d'usinage des moteurs de grosse cylindrée où l'on recherche un alignement parfait entre le siège et le guide de soupape. Les conditions de coupe sont tout à fait classiques car le matériau du revêtement a une très bonne usinabilité. Le siège obtenu possède une microstructure particulière qui lui confère ses propriétés de résistance mécanique, thermique et chimique. La structure dense et sans porosité du revêtement permet l'obtention après usinage d'un siège ayant la géométrie et l'état de surface requis. La liaison métallurgique entre le cordon de revêtement et la culasse participe au transfert thermique vers la culasse. La stabilité thermodynarnique du couple cordon de revêtement-aluminium garantit la tenue à la fatigue thermomécanique. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'une culasse en alliage léger comportant des sièges de soupape intégrés, caractérisé en ce qu'il comprend - l'obtention d'une culasse en alliage léger brute de fonderie comportant des zones de siège de soupape; - le dépôt par plasma à arc transféré sur les zones de siège d'une couche de revêtement d'un alliage ayant la composition suivante, en pourcent en poids: Ni 13-20 Mo 2- 8 Co 0- 10 Fe 2- 8 Si 2- 4 B 1- 3 Cu Complément ; et - l'usinage de la couche de revêtement pour obtenir la géométrie et l'état de surface voulus pour les sièges de soupape intégrés. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'alliage de la couche de revêtement a la composition suivante, en pourcent en poids: Ni 18 Mo 6 Co 6 Fe 6 Si 3 B 1 Cu Complément. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre préalablement à l'étape de dépôt de la couche de revêtement, une étape de décapage des zones de siège. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'étape de dépôt par plasma à arc transféré comporte une phase d'amorçage de l'arc, une phase de dépôt et une phase d'extinction de l'arc. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la phase de dépôt est mise en oeuvre avec un arc d'intensité décroissante. 6. Procédé selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que la phase d'extinction de l'arc est une phase avec effet anti-cratère. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche de revêtement a une épaisseur de 0,5 à 1,2 mm. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la culasse est en alliage d'aluminium. 9. Culasse en alliage léger à sièges de soupape intégrés, caractérisée en ce que les sièges de soupape intégrés sont constitués par une couche de revêtement d'un alliage de composition, en pourcent en poids: Ni 13-20 Mo 2- 8 Co 0-10 Fe 2- 8 Si 2- 4 B 1- 3 -- Cu Complément. 10. Culasse en alliage léger selon la revendication 9, caractérisée en ce que l'alliage de la couche de revêtement a pour composition, en pourcent en poids Ni 18 Mo 6 Co 6 Fe 6 Si 3 B 1 Cu Complément. 11. Culasse en alliage léger selon la revendication 10, caractérisée en ce que l'alliage de la couche de revêtement a une dureté HVo 5 de 200 à 500, une conductivité thermique supérieure à 30 W/m.K et un coefficient de dilatation thermique a une température de 400 à 600"C de 18.10-6 K-l 12. Culasse en alliage léger selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisée en ce que l'alliage léger est un alliage d'aluminium.