Brevet FR2780318A1 — publié le 19991231

La présente invention concerne une lame composite, pouvant trouver application dans différents domaines techniques ou industriels, notamment dans l'industrie papetière, ou l'imprimerie. De manière générale, et connue en soi, les lames composites considérées par la présente invention comprennent: - une bande d'un substrat conférant à la lame composite l'essentiel de ses propriétés mécaniques, notamment en termes de tenue mécanique, souplesse, etc...; - et un revêtement d'interfaçage, lié d'un côté au substrat de la bande, directement ou indirectement, et adapté de l'autre côté, notamment en forme, à un contact glissant avec un milieu en mouvement relatif par rapport à la lame, ce milieu pouvant avoir différentes consistances, solide, liquide, visqueuse ou pâteuse; ce revêtement d'interfaçage s'étend longitudinalement selon la direction de la lame, et transversalement à partir d'au moins un bord longitudinal, identique ou différent du bord longitudinal de la bande du substrat, et au moins sur l'une des faces de cette même bande. La présente invention est maintenant introduite, définie, décrite et explicitée par rapport à l'industrie papetière, dans laquelle une lame composite telle que définie précédemment peut être utilisée: - en contact glissant avec une matière de couchage en mouvement relatif par rapport à la lame, auquel cas il s'agit d'une racle ou raclette, ou encore d'une lame dite "doctor blade", par exemple pour le nettoyage des cylindres, bien connue de l'homme du métier dans l'industrie papetière; - ou au contact direct de la surface externe et dure d'un cylindre ("yankee"), auquel cas il s'agit d'un racloir, ou d'une lame de crêpage, ou encore d'une lame de nettoyage, également bien connue de l'homme du métier dans l'industrie papetière. S'agissant plus particulièrement des lames composites de couchage, les propriétés ou caractéristiques du revêtement d'interfaçage sont particulièrement importantes pour obtenir un couchage répondant aux exigences de l'industrie papetière, par exemple en termes d'épaisseur, d'homogénéité, et d'état de surface. Ainsi, la matière de couchage ou "sauce de couchage", se comportant comme un fluide non newtonien, les valeurs du coefficient de frottement et de la tension superficielle du revêtement d'interfaçage par rapport à la sauce de couchage sont très importantes, car ces caractéristiques influencent le taux de cisaillement de la sauce de couchage, lequel détermine à son tour la régularité ou homogénéité du couchage finalement obtenu. De même, la porosité du matériau de contact du revêtement d'interfaçage joue un rôle prépondérant pour obtenir un couchage de bonne qualité. Le revêtement d'interfaçage et/ou le ou les matériaux qui le constituent doivent répondre en définitive à un ensemble d'exigences particulièrement sévères, résultant aussi bien de leur procédé d'obtention, que de leurs conditions de mise en oeuvre dans leurs applications ou utilisations. Certaines de ces exigences sont antagonistes. Ainsi la lame composite doit demeurer souple, d'une part pour être manipulée plus facilement sur des longueurs unitaires qui peuvent être particulièrement importantes, et d'autre part pour "absorber" plus facilement en utilisation toutes irrégularités en épaisseur du milieu en mouvement, glissant sur le revêtement d'interfaçage. Mais en même temps, ce dernier doit demeurer particulièrement dur, pour résister en termes d'usure, le plus longtemps possible, au frottement continu avec le milieu en mouvement, traité par la lame composite. En général, pour de telles lames composites, dureté et souplesse s'opposent, en particulier parce qu'un matériau de contact relativement dur ne dispose de pratiquement aucune élasticité sous tension ou sous contrainte, et par conséquent se fissure ou "s'écaille" en cas de flexion de la lame composite par exemple. La présente invention a donc pour objet une lame composite telle que définie précédemment, conciliant dureté et souplesse, et permettant d'obtenir en définitive une lame composite à hautes performances. Selon la présente invention, on a découvert que la contradiction précédemment soulignée pouvait être réconciliée par le choix et la coopération de deux caractéristiques, la première tenant à la structure fine du revêtement d'interfaçage, et la seconde tenant à la composition du ou des matériaux constitutifs dudit revêtement. Selon la présente invention, en combinaison, d'une part le revêtement d'interfaçage a, par exemple à l'échelle d'observation de la microscopie optique traditionnelle, une structure lamellaire comportant plusieurs couches élémentaires d'épaisseur au plus égale à 15 pm, liées de manière cohérente les unes aux autres, et d'autre part au moins deux couches élémentaires comprennent chacune majoritairement en poids une phase céramique cristalline ou amorphe de type magnélie, comprenant au moins un composé de titane répondant statistiquement à l'une quelconque des formules sous-stoechiométriques suivantes, à savoir -TiOy, avec 1,8 et avec une microsonde. Selon la présente invention, on a en effet découvert que tout revêtement d'interfaçage ayant la structure et la composition définie précédemment présente à la fois souplesse et dureté en raison de sa structure lamellaire lubrifiée par la phase céramique de type magnélie. Une lame composite selon l'invention peut présenter à titre additionnel au moins l'une des caractéristiques techniques suivantes: - chaque couche élémentaire comprend minoritairement en poids du titane métallique; par exemple chaque couche élémentaire comprend complémentairement en poids du titane métallique; à titre d'exemple chaque couche élémentaire comprend un coeur constitué par du titane métallique, de part et d'autre duquel sont distribuées deux sous- couches de phase céramique de type magnélie; - chaque couche élémentaire comprend, à titre d'additif, un composé de silicium, par exemple de la silice ou du siliciure de titane; le composé de silicium représente au plus 1 % en poids de chaque couche élémentaire; - toutes les couches élémentaires du revêtement d'interfaçage présentent chacune au moins l'une quelconque des caractéristiques techniques définies précédemment; I'épaisseur de chaque couche élémentaire du revêtement d'interfaçage a, dans la zone active de la lame selon la longueur et/ou la largeur de cette dernière, une épaisseur comprise entre 2 et 15 pm, et préférentiellement égale à environ 4 pm; - le matériau lamellaire du revêtement d'interfaçage a une masse spécifique au moins égale à 4000 kg/m3, et préférentiellement comprise entre 4050 et 5000 kg/m3 - la dureté du revêtement d'interfaçage est au moins égale à 700 Hv (0,3 daN), préférentiellement égale à 1100 Hv (0,3 daN), et par exemple égale à 900 Hv (0,3 daN). Des lames composites telles que définies précédemment peuvent être obtenues avec tout procédé de projection à chaud d'un matériau d'apport à l'état divisé, et sous forme solide, notamment en poudre. Par "matériau d'apport", on entend tout matériau comprenant à l'état élémentaire et/ou sous forme de composé tous les constituants chimiques requis pour aboutir au terme de la projection à chaud, y compris après transformation ou réaction chimique lors de la projection à chaud, à la composition des couches élémentaires du revêtement d'interfaçage, précédemment définie. Préférentiellement, selon l'invention, on met en oeuvre un procédé de projection à chaud particulier, dit HVOF, selon les modalités générales suivantes: (a) on dispose de la bande ayant une longueur au moins égale à celle de la lame composite à fabriquer, dont le bord longitudinal est rectifié, et dont la face de réception du revêtement d'interfaçage est décapée (b) on dispose du matériau d'apport tel que précédemment défini, comprenant du titane; (c) on projette à chaud, sur la face décapée, le matériau d'apport, avec un flux d'un véhicule gazeux et chaud, pour obtenir le revêtement d'interfaçage; (d) on rectifie éventuellement le revêtement d'interfaçage. Selon la présente invention, d'une part l'étape de projection est répétée au moins deux fois, préférentiellement 50 à 300 fois, par exemple environ 200 fois, pour obtenir autant de fois, et donc plusieurs couches élémentaires successives, superposées et liées les unes aux autres de manière cohérente, et d'autre part pour chaque étape de projection répétée le flux du véhicule gazeux et chaud de l'étape (c) est une flamme de combustion à vitesse supersonique, selon la technique dite HVOF ("high velocity oxy fuel"), en utilisant un gaz comburant, et un carburant gazeux, par exemple du méthane. La présente invention est maintenant décrite par référence au dessin annexé, dans lequel: - la figure 1 représente une vue en coupe d'une lame composite selon l'invention, telle qu'utilisée pour un couchage sur une bande de papier; - la figure 2 représente une vue de dessus de la lame composite, dans sa position représentée à la figure 1, et avant son utilisation. De manière traditionnelle, une lame composite 1 comprend - une bande 2 d'un substrat métallique conférant à la lame l'essentiel de ses propriétés mécaniques; - un revêtement 3 d'interfaçage, lié d'un côté au substrat de la bande 2, et adapté de l'autre côté, notamment en forme et en dimensions, au contact glissant avec la sauce de couchage 4 en mouvement relatif par rapport à la lame; le revêtement d'interfaçage 3 s'étend longitudinalement selon la direction de la lame, c'est-à-dire perpendiculairement au plan de la figure 1, et transversalement, c'est-à- dire vers le bas et dans le plan de la figure 1, à partir d'au moins un bord longitudinal 3a, et au moins sur l'une 2a des faces de la bande. En fonction des paramètres de couchage, et de l'équipement, notamment porte-lame, dans lequel est montée la lame composite, l'homme du métier sait adapter, et a décrit différents profils, notamment en biseau, du revêtement 3 d'interfaçage, et éventuellement de la bande 2 du substrat, adaptés l'un à l'autre et aux conditions de couchage requises. Conformément à l'invention, c'est le revêtement d'interfaçage 3, qui est conforme à la présente invention, et présente une ou plusieurs des caractéristiques techniques définies et décrites précédemment, qui ne seront donc pas répétées. Comme montré à la figure 1, le revêtement de contact 3 adhère directement au substrat de la bande 2. Le substrat de la bande 2 est constitué par au moins un acier, par exemple par un acier trempé, ayant une nuance telle qu'utilisée pour la fabrication de ressorts. Le bord longitudinal 3a du revêtement d'interfaçage 3 est aligné ou superposé avec le bord 2c longitudinal de la bande 2. Le revêtement d'interfaçage 3 s'étend transversalement sur la face 2a de la bande 2, depuis le bord d'entrée 3a jusqu'à un bord de sortie 3c. Bien entendu, ce revêtement d'interfaçage 3 peut également s'étendre sur l'autre face 2b de la bande 2. A titre de variante, le revêtement d'interfaçage 3 peut être lié à la bande 2 par une couche intermédiaire adhésive appropriée, quoique le dépôt direct du matériau d'apport sur le substrat de la bande 2 constitue une modalité préférentielle de l'invention. S'agissant du revêtement d'interfaçage, la ou les caractéristiques d'interfaçage de la lame, contrôlées ou réglées par des essais de routine de différentes structures lamellaires et/ou compositions des couches élémentaires, sont: - la porosité du revêtement 3 d'interfaçage, exprimée en pourcentage de la surface interne par rapport à la surface apparente de revêtement d'interfaçage; par exemple cette porosité est inférieure à 5 %, en particulier pour ne pas provoquer de micro-rayures au couchage - et/ou le coefficient de frottement du revêtement 3 d'interfaçage par rapport au milieu 4 en mouvement - et/ou la mouillabilité dynamique de la surface externe 3b du revêtement d'interfaçage 3, au contact du milieu 4 en mouvement; - et/ou la dureté du revêtement d'interfaçage 3 préférentiellement; cette dureté peut varier de 700 à 1100 Hv (0,3 daN). A titre d'exemple, une lame composite répondant aux caractéristiques précédentes a été obtenue selon le procédé suivant: - on part d'une bande métallique 2, constituée par un acier à 1 % carbone, trempé et revenu, dont la dureté est de 550 Hv (0,3 daN), et la résistance à la rupture de 1750 N/m2; cette bande a une épaisseur de 0,5 mm et une longueur de 100 mm; - cette bande métallique est préalablement sablée, sur la face à revêtir - on prépare un matériau d'apport, par mélange homogène de titane et d'oxyde de titane (anatase et/ou magnélie), respectivement dans des proportions pondérales de 40 à 70 % et de 30 à 60 %; le mélange obtenu est fritté puis broyé pour obtenir une poudre ayant une granulométrie de 15 à 100 pm; - avec un équipement HVOF ("High Velocity Oxygen Flame"), et en mettant en oeuvre une combustion d'un gaz combustible ou carburant avec de l'oxygène, et avec les paramètres opératoires définis ci-dessus, on dépose en plusieurs passes, le matériau d'apport obtenu précédemment sur la bande 2 précédemment décrite, pour obtenir un revêtement d'interfaçage dans la zone active de la lame; les caractéristiques finales de ce revêtement sont ajustées en réglant, le débit de la poudre du matériau d'apport, et le débit du gaz combustible et/ou du gaz comburant, de l'équipement HVOF; avec une proportion sous-stoechiométrique de l'oxygène comburant, la combustion HVOF s'effectue en conditions réductrices, nécessaires à l'obtention de la phase magnélie de l'oxyde de titane, déficitaire en oxygène; on effectue 200 passes, avec un refroidissement puissant, par circulation continue et en boucle de la bande métallique devant la buse HVOF. Le revêtement d'interfaçage ainsi obtenu présente en particulier une dureté de l'ordre de 900 Hv (0,3 daN), avec une porosité inférieure ou égale à 5 %, et une épaisseur totale de 300 /m, chaque couche élémentaire ayant une épaisseur de l'ordre de 5 /m. Avec le procédé décrit précédemment, la lame obtenue présente une souplesse à la flexion, exprimée par le diamètre minimum d'un cylindre sur lequel ladite lame peut être enroulée sans fissuration du revêtement d'interfaçage, au moins égale à 25 cm, de préférence égale à cm. REVENDICATIONS 1) Lame composite (1) comprenant une bande (2) d'un substrat conférant à ladite lame l'essentiel de ses propriétés mécaniques, un revêtement (3) d'interfaçage, lié d'un côté audit substrat, et adapté de I'autre côté, notamment en forme, à un contact glissant avec un milieu (4) en mouvement relatif par rapport à ladite lame, ledit revêtement d'interfaçage (3) s'étendant longitudinalement selon la direction de ladite lame, et transversalement à partir d'au moins un bord longitudinal (3a), et au moins sur l'une (2a) des faces de la bande, caractérisée en ce qu'en combinaison, d'une part le revêtement d'interfaçage (3) a, à l'échelle de la microscopie optique, une structure lamellaire comportant plusieurs couches élémentaires d'épaisseur au plus égale à 15 prm, liées de manière cohérente les unes aux autres, et d'autre part au moins deux couches élémentaires comprennent chacune majoritairement en poids une phase céramique cristalline ou amorphe de type magnélie, comprenant au moins un composé de titane répondant statistiquement à l'une quelconque des formules sous- stoechiométriques suivantes, à savoir - Ti Oy, avec 1,8 titane métallique. 4) Lame selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que chaque couche élémentaire comprend un coeur constitué par du titane métallique, de part et d'autre duquel sont distribuées deux sous-couches de phase céramique de type magnélie. ) Lame selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque couche élémentaire comprend, à titre d'additif, un composé de silicium, par exemple de la silice ou du siliciure de titane. 6) Lame selon la revendication 5, caractérisée en ce que le composé de silicium représente au plus 1 % en poids de chaque couche élémentaire. 7) Lame selon la revendication 1, caractérisée en ce que toutes les couches élémentaires du revêtement d'interfaçage répondent chacune à la définition de l'une quelconque des revendications 2 à 6. 8) Lame selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque couche élémentaire du revêtement d'interfaçage, a, dans la zone active de la lame et selon la longueur et/ou la largeur de cette dernière, une épaisseur comprise entre 2 et 15 um, et préférentiellement égale à environ 4 pm. 9) Lame selon la revendication 1, caractérisée en ce que le matériaux lamellaire du revêtement d'interfaçage a une masse spécifique au moins égale à 4000 kg/m3, et préférentiellement comprise entre 4050 et 5000 kg/m3. ) Lame selon la revendication 1, caractérisée en ce que la dureté du revêtement d'interfaçage est au moins égale à 700 Hv (0,3 daN), préférentiellement égale à 1100 Hv (0,3 daN), et par exemple égale à 900 Hv (0,3 daN). 11) Lame selon la revendication 1, caractérisée en ce que la souplesse à la flexion de ladite lame, exprimée par le diamètre minimum d'un cylindre sur lequel ladite lame peut être enroulée sans fissuration du revêtement d'interfaçage, est au moins égale à 25 cm, de préférence égale à 30 cm. 12) Lame selon la revendication 1, caractérisée en ce que le revêtement d'interfaçage (3) adhère directement au substrat de la bande (2). 13) Lame selon la revendication 1, caractérisée en ce que le revêtement d'interfaçage (3) est lié à la bande (2) par une couche intermédiaire adhésive. 14) Procédé de fabrication d'une lame composite (1) comprenant une bande (2) d'un substrat conférant à ladite lame l'essentiel de ses propriétés mécaniques, un revêtement (3) d'interfaçage, lié d'un côté audit substrat, et adapté de l'autre côté, notamment en forme, à un contact glissant avec un milieu (4) en mouvement relatif par rapport à ladite lame, ledit revêtement d'interfaçage (3) s'étendant longitudinalement selon la direction de ladite lame, et transversalement à partir d'au moins un bord longitudinal (3a), et au moins sur l'une (2a) des faces de la bande, selon lequel: (a) on dispose de la bande (2) ayant une longueur au moins égale à celle de la lame composite à fabriquer, dont le bord longitudinal (3a) est rectifié, et dont ladite face (2a) est décapée; (b) on dispose d'un matériau d'apport, à l'état divisé et sous forme solide, par exemple sous forme de poudre; (c) on projette à chaud, sur la face (2a) décapée, le matériau d'apport, avec un flux d'un véhicule gazeux et chaud, pour obtenir le revêtement d'interfaçage (3); (d) on rectifie éventuellement le revêtement d'interfaçage (3). caractérisée en ce que d'une part, l'étape de projection est répétée au moins deux fois, pour obtenir au moins deux couches élémentaires successives, superposées et liées les unes aux autres de manière cohérente, et d'autre part, pour chaque étape de projection répétée, le flux du véhicule gazeux et chaud est une flamme de combustion à vitesse supersonique, selon la technique HVOF ("High Velocity Oxy Fuel"), en utilisant un carburant et un comburant comprenant de l'oxygène dans une proportion sous-stoechiométrique par rapport audit carburant. ) Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'étape de projection est répétée de 50 à 300 fois, et préférentiellement environ 200 fois.