Brevet FR2775156A1 — publié le 19990820

Dispositif de génération et de projection de jets pulsés de plasma pour traitement de surface Description L'invention est relative à un dispositif de décharges électriques capable de générer à pression atmosphérique ou en atmosphère contrôlée (pression, nature du ou des gaz) des jets pulsés de plasma brefs et puissants. Elle fait suite à celle relative à un dispositif de décharge d'énergie à effet de pression et/ou thermique, objet de la publication WO n 95/31 691 consécutive à un dépôt de brevet par notre société. Diverses améliorations ont été apportées au dispositif précité et regroupées dans la présente invention; ces améliorations ont pour objet de faciliter la mise en oeuvre du dispositif, d'augmenter son efficacité et sa fiabilité dans le temps, en vue d'applications plus particulièrement dédiées au traitement de surface; elles peuvent être appliquées simultanément ou non. Le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend: - deux enceintes métalliques séparées, préférentiellement amagnétiques (cf planche n"l), reliées entre elles par une liaison électrique particulière, à l'aide de câbles coaxiaux haute tension (3). L'une des enceintes (1), dénommée torche, contient une paire d'électrodes à symétrie cylindrique (4) et (5) entre lesquelles aura lieu la décharge principale et l'autre (2), la réserve d'énergie, est constituée par la paroi externe d'un condensateur (6) pratiquement aselfique pour obtenir des décharges rapides; - une liaison électrique par câbles coaxiaux haute tension (3)assurant la continuité entre les deux enceintes, la partie haute tension étant contenue dans l'axe de l'ensemble des structures coaxiales, enceintes et câbles, le courant de retour s' effectuant sur les surfaces internes des trois composants; - un dispositif d'amorçage de la décharge électrique (7). Ce complexe forme une structure allongée parfaitement coaxiale, ce qui a pour effet de réduire la self inductance à sa valeur minimum et d'éviter le rayonnement de l'énergie électromagnétique dans le milieu extérieur. Le principe de fonctionnement est celui décrit dans la publication n" 95/31 691, auquel ont été apportées les améliorations ou modifications suivantes. Séparation de la réserve d'énergie vis à vis de la torche La raison d'être de cette séparation est de rendre plus aisément manipulable la torche qui est l'élément relativement léger et peu encombrant du dispositif, alors que la réserve d'énergie est nettement plus lourde et encombrante. L'objectif visé dans les applications du traitement de surface est de permettre la manipulation de la torche par un robot. Cependant, l'éloignement des deux enceintes et la création d'une liaison électrique reliant ces deux enceintes n'est pas neutre vis à vis du fonctionnement du dispositif. En effet on cherche à ce que la décharge électrique reste au régime critique, ctest à dire présente une impulsion unique de courant avec faible rebondissement (sans oscillations amorties qui induiraient des tensions inverses néfastes pour la tenue du condensateur), avec une puissance crête maximum. Or l'obtention de ce régime critique est régi par la condition suivante: - Zc (impédance caractéristique du circuit de décharge) où L : self-inductance du circuit C : valeur de la capacité du condensateur Ra: résistance de l'arc électrique : : somme des résistances ohmiques du circuit, à l'exclusion de Ra. Le rendement de conversion quant à lui est donné par Ra Ra + ER La création d'une liaison électrique entre la torche et la réserve d'énergie va avoir pour conséquence d'augmenter L et ER . Deux types de dispositions sont prises: - le premier type de dispositions concerne la liaison électrique elle-même, par le choix du câble coaxial et la mise en parallèle de tels câbles si nécessaire; pour cela, le câble coaxial sera choisi préférentiellement avec un conducteur central (8) de forte section (minimisation de R ohmique), la gaine isolante (9) séparant ce conducteur central (âme du coaxial) de l'enveloppe conductrice extérieure (10) étant d'épaisseur minimale (minimisation de la self-inductance L), compte tenu de la tension maximale H.T. et de l'isolation électrique à assurer;la liaison entre les câbles coaxiaux et les deux enceintes précitées (1) et (2) se fait par connecteurs spéciaux H.T. dont le schéma de principe est représenté sur la planche n"2 pour ce qui concerne la liaison avec l'enceinte (2), constituée par le condensateur; l'âme du coaxial (8) est mise en contact intime avec une broche (11) solidaire d'une partie métallique de l'embase (12), elle-même en contact avec le point chaud (13) du condensateur; la gaine du coaxial (10) est mise en contact intime avec la partie métallique de l'enceinte (2) constituant le deuxième pôle du condensateur (ou point froid), lui-même réuni à la terre (14). Le même principe s'applique pour la liaison avec l'enceinte (1) de la torche, l'âme du coaxial étant mise en continuité électrique avec la cathode (4) et la gaine avec l'enceinte (1) - le deuxième type de mesure concerne la définition même de la torche; en effet, il convient d'augmenter la résistance de l'arc et, pour cela, d'augmenter le rapport 1 , 1 étant d la distance inter électrode et d étant le diamètre du canal de la torche dans lequel se produit l'arc électrique. Une autre façon toutes choses égales par ailleurs d'augmenter la résistance de l'arc est d'augmenter la pression du plasma créé dans le canal de la torche: ceci est la raison pour laquelle une chambre de compression (15) est prévue en sortie de canal, au niveau de l'électrode anodique (5), comme on le verra plus loin. Enfin il est possible par le choix du gaz plasmagène servant à la protection de la cathode (gaz tels que l'Argon ou l'Hélium, voir plus loin) d' agir directement sur la résistance de l'arc. De cette façon, le régime de décharge critique peut être maintenu malgré la présence de la liaison électrique avec comme seule conséquence un léger accroissement de la durée de l'impulsion du courant de décharge (durée proportionnelle à électrode cathodique Plusieurs dispositions sont prises pour augmenter la durée de vie de cette électrode en fonctionnement. En effet, lors d'une décharge électrique, la cathode subit une érosion sous l'effet du bombardement d'ions du gaz remplissant le canal de décharge, cette érosion étant due à l'effet thermique (vaporisation du constituant de la cathode) et éventuellement chimique selon la nature du gaz. Les dispositions prises sont les suivantes, comme indiqué à titre d'exemple sur la planche n"3: - Mise en place, au centre de l'électrode, d'un insert (17) en Tungstène ou, mieux, en Zirconium, serti intimement dans une matrice en cuivre énergiquement refroidie à l'eau (18) ou avec un autre liquide adapté; l'ensemble constitue une cathode (cf planche n"3), à surface d'émission élevée pour étaler le flux athermique, ce qui a pour effet de diminuer la densité de puissance et donc les phénomènes de vaporisation ou de sublimation de la cathode. - Protection chimique de l'insert en Tungstène, ou en Zirconium, par l'utilisation d'un gaz plasmagène totalement inactif tel que l'Argon ou l'Hélium (éventuellement légèrement dopé en Hydrogène pour réduire les traces d'oxydes); ce gaz est introduit à la périphérie de la cathode, par exemple par un double conduit hélicoidal (19); - Centrage du pied de l'arc sur l'insert par l'action combinée du mode d'introduction du gaz de protection précité, (introduction tangentielle par rapport au canal, avec création de vortex), et de la pression magnétique PM associée au courant électrique de décharge I(t), telle que PM = 12 I2(t)/sR2, qui exerce une force de compression radiale. - Refroidissement énergique de la surface d'émission cathodique par l'intermédiaire du support en Cuivre (20) en contact avec le fluide du circuit de refroidissement comme indiqué sur la planche n03. électrode anodique Les dispositions prises au niveau de l'électrode anodique, qui est creuse au centre pour laisser passer le plasma créé dans le canal (21), ont pour but de répartir l'appui de la tête de l'arc sur l'anode (5) de façon plus homogène et diffuse sur la surface de celle-ci, et, par là même, de mieux homogénéiser le plasma de gaz actif créé par la torche. Pour ce faire, un gaz actif (dont la nature est variable selon le traitement de surface envisagé) est injecté juste devant l'anode (22), créant un vortex autour de l'axe du canal où a lieu la décharge, selon le schéma de la planche n"4. Cette introduction a lieu dans un décrochement (23) du convergent en céramique (24) qui prolonge les parois circulaires (25), également en céramique, du canal où a lieu la décharge. Ce convergent a pour rôle d'augmenter la pression dans le canal de décharge et d'augmenter la vitesse des particules neutres, excitées et ionisées constituant le plasma et, par là même, la température de ce plasma. Une tuyère métallique en cuivre (27), divergente ou convergente,joue le rôle d'anode (5) et assure, via l'enceinte métallique de la torche, le retour de courant: elle est énergiquement refroidie par un circuit d'eau ou de fluide approprié. Dans le cas décrit, l'arc électrique jaillit entre cathode (4) et la tuyère métallique (27) qui joue le rôle d'anode (5): arc dit soufflé. Un autre mode de fonctionnement est possible, la tuyère étant alors réalise en matériau électriquement isolant: le rôle d'anode est ,dans ce cas, jouée par la pièce à traiter, qui doit être pour cela impérativement bon conducteur de 1 l'électricité: arc dit transféré; pour ce faire la pièce à traiter doit être réunie électriquement à l'enceinte de la torche (1). Un exemple de réalisation est donné en planche n"4. Circuit d'amorçage Le condensateur (6) du circuit principal de décharge étant chargé, l'arc électrique entre cathode (4) et anode (5) ne peut jaillir, compte tenu de la distance élevée entre ces deux électrodes nécessaire pour l'obtention du régime critique de décharge. C'est la raison pour laquelle existe un dispositif d'amorçage (7) . Son rôle est de créer, à l'intérieur du canal de décharge (21), un plasma dont l'expansion permettra la mise en contact électrique des deux électrodes (4) et (5) du circuit principal. Par rapport au dispositif d'amorçage décrit dans la publication WO 95/31 691, deux dispositions sont prises pour en améliorer le fonctionnement et l'efficacité: - le circuit comporte deux électrodes auxiliaires (28) et (29), ce qui permet de réaliser un circuit électriquement isolé du circuit de décharge principal (sauf pendant la décharge d'amorçage via la cathode du circuit principal où celle-ci constitue le point commun aux deux circuits, cf planche n"5); - ces deux électrodes auxiliaires, diamètralement opposées, sont situées près de la cathode (4), de telle sorte que l'expansion naturelle de la masse de plasma initiée par les électrodes auxiliaires se fasse vers l'anode (5), entrainant ainsi le jaillissement de l'arc entre cathode et anode. Le dispositif d'amorçage (cf planche n"5) comporte deux circuits séparés par un transformateur d'impulsion Haute Tension dont les deux enroulements sont * séparés électriquement entre eux: - le circuit amont (30) fournit une impulsion électrique basse tension (600 à 800 V) au transformateur haute tension (31) dont le secondaire est capable de sortir entre 16 et 32 kV, tension suffisante pour amorcer un arc grêle entre les deux électrodes auxiliaires (28) et !29), via la cathode (4) du circuit principal; - le circuit aval est réalisé à partir du secondaire du transformateur Haute Tension qui est en série avec un condensateur (32) fournisseur d'énergie électrique pour alimenter le plasma initié par l'arc grêle. Ce circuit est à potentiel flottant, il n'a aucun lien commun avec le circuit principal, sauf durant l'initiation du plasma d'amorçage de l'arc. Un pont de diode (33) permet la recharge du condensateur (32) à partir du réseau 220 V et d'un transformateur (34). Le chronogramme de l'amorçage de l'arc principal est représenté sur la planche n"6. - Equipement annexe La torche (1) peut être équipée en sortie de tuyère d'un dispositif (42) d'aspiration et de récupération des aérosols créés par la vaporisation des dépôts (35) à éliminer (ou de la couche superficielle du substrat (36) à traiter) sous l'effet des jets pulsés de plasma. Applications au traitement de surface Les applications du dispositif ainsi décrit visent plus particulièrement les traitements de surface. L'intérêt fondamental d'un tel dispositif résulte de ce que les propriétés instantanées du jet pulsé de plasma sont élevées (aspect thermique, chimique et pression), alors que la brièveté du jet (quelques dizaines de usec) permet de n'affecter que la surface du substrat, sans dégradation en profondeur de celui-ci. Le dispositif objet de cette invention est donc particulièrement bien adapté aux traitements de surface pour lesquels on recherche un effet strictement en surface du matériau, tel que: - nettoyage / décapage de dépôts d'épaisseur relgativement faible (quelques dizaines de um par exemple) et de nature diverse (dépôts organiques, métalliques, oxydes, ...); - modification en surface des propriétés physico-chimiques de certains substrats (amélioration, par exemple, des propriétés d'adhérence de certains plastiques, ...). Selon le problème de traitement de surface à résoudre et la nature des substrats à modifier en surface ou des dépôts (35) à éliminer (en tenant compte de la nature du substrat (36) support de ce dépôt), il est possible (confert planche n"7) d'adapter le dispositif de génération et de projection de jets pulsés de plasma (37) au problème posé selon les principales dispositions suivantes (dans le respect du principe de décharge électrique effectuée au régime critique): - choix du gaz actif (oxydant, réducteur, neutre - mélange de gaz, etc ...); - choix du gaz de protection qui intervient au niveau du jet pulsé par ses propriétés d'ionisation et de transfert d'énergie au gaz actif (choix entre Argon et Hélium, par exemple); - choix de paramètres de définition de la torche tels que diamétre de sortie du convergent (24), diamètre de sortie (38) de la tuyère (27) constituant l'anode, profil divergent ou convergent de cette tuyère (27); - choix de paramètres de fonctionnement du dispositif tels que: énergie déchargée par pulse, distance d'exposition (39) au jet pulsé de plasma de la surface à traiter vis à vis de la torche, inclinaison (40) de la torche vis à vis de la surface à traiter; - choix des modalités de déplacement du substrat à traiter vis à vis de la torche, (ou inversement), en particulier: déplacement (appelé pas de recouvrement) (41) entre jets pulsés successifs, possibilité d'effectuer plusieurs jets pulsée au même endroit de la pièce à traiter, avant d'effectuer un déplacement selon la valeur du pas de recouvrement choisi. A titre d'exemple, la planche n"7 donne une illustration du positionnement possible de la torche vis à vis du substrat et du dépôt à décaper. Revendications 1 - Dispositif de génération et de projection de jets pulsés de plasma brefs et puissants, fonctionnant à pression atmosphérique ou en atmosphère contrôlée, caractérisé en ce qu'il comprend: - deux enceintes séparées dont l'une (dénommée torche ) (1) contient une paire d'électrodes (4) et (5) entre lesquelles sera provoquée une décharge électrique et dont l'autre (2) (la réserve d'énergie) contient un condensateur (6) à décharge rapide; - une liaison électrique Haute Tension (3) entre ces deux enceintes assurant la continuité électrique du courant de décharge ainsi que du courant de retour se développant sur les faces internes des deux enceintes; - un dispositif d'amorçage (7) de la décharge électrique dont le circuit électrique est isolé du circuit de décharge principal. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que d'une part, la structure coaxiale constituée par les deux enceintes (torche et réserve d'énergie) et par les câbles coaxiaux assurant la liaison électrique haute tension entre les deux enceintes et, d'autre part, le choix de matériaux amagnétiques pour ces deux enceintes minimisent self inductance et résistance ohmique du circuit de décharge. 3 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la torche (1) est alimentée avec deux types de gaz, dont l'un, totalement inactif (tel que l'Argon ou l'Hélium) est destiné à assurer la protection de la cathode et dont l'autre, dit gaz actif, est introduit en amont de l'anode (22). 4 - Dispositif selon les revendications 1 et 3, caractérisé en ce que les dimensions du canal (21) de la torche dans laquelle se produit la décharge, la présence d'un convergent (24) en sortie de ce canal et le choix du gaz de protection de la cathode sont déterminés pour que la décharge électrique s'effectue à un régime proche du régime critique, c'est à dire présente une impulsion unique de courant, avec faible rebondissement; 5 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cathode du circuit de décharge principal reçoit les dispositions suivantes destinées à prolonger sa durée de vie en fonctionnement: insert (17) de Tungstène ou de Zirconium en son centre intimement lié au cuivre dont est constituée cette cathode; protection par un gaz de couverture inactif, tel que l'Argon ou l'Hélium, ce gaz étant introduit à la périphérie (19) de la cathode selon un mouvement tourbillonaire destiné à centrer le pied de l'arc électrique sur l'insert précité, en conjonction avec la pression magnétique associée au courant électrique de décharge; refroidissement énergique de la cathode en Cuivre par un circuit d'eau ou de fluide approprié de refroidissement; 6 - Dispositif selon les revendications 1 et 3, caractérisé en ce que le gaz actif est introduit en amont de l'anode, selon un mouvement tourbillonaire destiné à répartir de façon plus homogène l'appui de l'arc sur la périphérie de cette électrode creuse, contribuant ainsi à rendre plus homogène le plasma éjecté à l'extérieur de la torche; 7 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la décharge principale entre cathode (4) et anode (5) est amorcée par un dispositif d'amorçage constitué de deux électrodes auxiliaires (28) et (29) situées prés de la cathode et d'un circuit électrique d'amorçage isolé du circuit de décharge principal (sauf pendant la décharge d'amorçage); 8 - Dispositif selon les revendications 1 et 7, caractérisé en ce que la décharge d'amorçage s'effectue entre chacune des deux électrodes auxiliaires (28) et (29) d'une part et la cathode (4) d'autre part, qui constitue alors, pendant cette décharge, point commun aux deux circuits (circuit d'amorçage et circuit de décharge principale); 9 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la sortie de torche (tuyère 27) peut être équipée d'un dispositif (42) d'aspiration et de récupération des aérosols créés par la vaporisation des dépôts (35) ou de la surface du substrat (36) sous l'effet des jets pulsés de plasma; 10 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'anode en Cuivre est énergiquement refroidie par un circuit d'eau ou de fluide approprié; 11 - Dispositif selon 1'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que, dans une variante dite à arc transféré, la tuyère (27) est constituée d'un matériau électriquement isolant, la surface à traiter, nécessairement conductrice électriquement, jouant alors le rôle d'anode et étant reliée électriquement à l'enceinte de la torche (1); 12 - Dispositif selon la revendication 1,2 et 4, caractérisé en ce que la minimisation de la self inductance et de la résistance ohmique du circuit de décharge d'une part, et la réalisation, d'autre part, d'une impulsion unique de courant de décharge, permettent l'obtention d'un jet de plasma extrèmement bref; de ce fait le substrat exposé au jet n'est affecté qu'en extrème surface, sans dégradation en profondeur. 13 - Dispositif selon les revendications 1 et 3, caractérisé en ce que le gaz actif peut être choisi oxydant, réducteur ou inerte chimiquement selon que le traitement de surface à effectuer est une oxydation, une réduction ou qu' il y a lieu d'éviter toute réaction chimique sur ce substrat. 14 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que, outre le choix du gaz actif, divers paramètres permettent de moduler les propriétés du jet de plasma et ses effets sur le substrat à traiter, tels que l'énergie déchargée par jets pulsés, la distance d'exposition du substrat à traiter, le diamètre et le profil de la tuyère, l'inclinaison de la torche (vis à vis de la surface à traiter), le pas de recouvrement entre jets pulsés successifs. Ces paramètres permettent d'adapter le dispositif de génération et de projection de jets pulsés de plasma au traitement de surface à effectuer.