Brevet FR2845937A1 — publié le 20040423

CUIVRE PULVERISE A FROID POUR APPLICATIONS A UN MOTEUR DE FUSEE REFERENCE CROISEE A DES DEMANDES CONNEXES La présente demande revendique le bénéfice de la priorité de la demande de brevet provisoire US NO 60/419.403, intitulée CUIVRE PULVERISE A FROID POUR 10 MOTEURS D'ETAGE SUPERIEUR DE FUSEE, déposée le 18 octobre 2002. La présente invention concerne un procédé pour appliquer un dépôt de cuivre sur les surfaces d'un 15 substrat, en particulier, un collecteur ou une tubulure devant être utilisé dans un moteur de fusée. Les conceptions de chambre de réaction ou de combustion de fusées incluent deux tubulures qui collectent et distribuent le carburant (typiquement de 20 l'hydrogène liquide) vers la chambre de combustion. L'une de ces tubulures est en général située immédiatement à côté de l'organe d'injecteur o le carburant et l'oxydant (typiquement l'oxygène liquide) sont mélangés et allumés. Les deux tubulures sont réalisées à partir d'un acier 25 inoxydable haute résistance pour contenir le carburant cryogénique haute pression. La tubulure qui est située près de l'injecteur tend à être exposée à des gaz de combustion à très haute température. De ce fait, cette tubulure nécessite un refroidissement actif sur la face 30 la plus proche de l'injecteur. De multiples tentatives ont été faites pour appliquer par électrodéposition du cuivre pur sur cette face de tubulure afin de conduire le liquide de refroidissement au travers de l'intervalle jusqu'à la face proche de l'injecteur. Toutefois, la tubulure subit ensuite un cycle de brasure haute température qui dans le 5 passé a produit des boursouflures ou cloques du cuivre. Un dépôt d'une épaisseur supérieure à quelques millièmes de pouce est très susceptible de former des boursouflures ou cloques lorsqu'il est exposé à la chaleur du fait de l'expansion des solutions/impuretés piégées. L'électrodéposition nécessite que la pièce soit immergée dans des acides et des solutions d'électrodéposition pendant de longues durées pour obtenir une accumulation épaisse sur les pièces. Des masquages importants sont nécessaires. L'exposition aux 15 acides n'est pas toujours autorisée sur une pièce et peut provoquer des états de fatigue. Un autre désavantage est que le dépôt à de telles épaisseurs se mesure en jours. La pulvérisation thermique est une autre technique pour appliquer un revêtement conforme sur une pièce. La 20 pulvérisation thermique nécessite que la pièce soit exposée localement à des températures très élevées. Les pièces présentant des sensibilités thermiques et ayant des tolérances dimensionnelles serrées (distorsions thermiques) sont limitées à cette exposition. Des oxydes 25 sont typiquement formés avec la fusion par pulvérisation et la resolidification thermiques en atmosphère d'air. Les oxydes réduisent de façon significative la ductilité des revêtements et sont difficiles à retirer. Des systèmes de production de vide sont possibles mais très 30 coteux et difficiles à contrôler. Ainsi, il existe un besoin pour un procédé amélioré pour appliquer un dépôt de cuivre sur les surfaces d'une tubulure utilisée dans un moteur de fusée. En conséquence, un des objets de la présente invention est de proposer un procédé pour appliquer un dépôt de cuivre sur un substrat qui ne boursouflera pas ou ne cloquera pas après avoir subi un cycle de brasure haute température. L'objet ci-dessus est réalisé par le procédé selon la présente invention. En accord avec la présente invention, un procédé pour appliquer un dépôt sur un substrat comprend les étapes consistant à fournir des particules de poudre de 15 métal ayant une taille située dans la plage allant d'une taille suffisante pour éviter d'être balayées du substrat du fait d'une couche d'onde de choc ou de front de choc, jusqu'à 50 microns, et à former une couche de dépôt sur au moins une surface du substrat en faisant passer les 20 particules de poudre de métal au travers d'une buse de pulvérisation à une vitesse suffisante pour déformer plastiquement les particules de poudre métallique sur la au moins une surface. La présente invention concerne aussi un moteur de 25 fusée ayant une tubulure en acier inoxydable revêtue sur au moins une surface intérieure et/ou une surface extérieure d'un revêtement d'alliage de cuivre. D'autres détails du cuivre pulvérisé à froid pour les moteurs de fusée d'étage supérieur, ainsi que 30 d'autres objets et avantages y afférant, sont exposés dans la description détaillée ci-après et le dessin qui l'accompagne, dans lequel des numéros de référence similaires désignent des éléments identiques. La figure est une représentation schématique d'une 5 buse de pulvérisation utilisée pour revêtir les surfaces d'une tubulure utilisée dans un moteur de fusée. Conformément à la présente invention, un procédé est proposé pour former un dépôt ou un revêtement sur les 10 surfaces extérieure et/ou intérieure d'un substrat 10, tel qu'une tubulure constituée dans un matériau d'alliage de métal, par exemple de l'acier inoxydable, utilisé dans un moteur de fusée. Ce procédé est un procédé de pulvérisation dynamique de gaz à froid (ou "pulvérisation 15 à froid"). Dans ce procédé, de fines poudres métalliques sont accélérées à des vitesses supersoniques en utilisant du gaz comprimé, par exemple l'hélium et parfois l'azote. L'hélium est un gaz préféré dans ce procédé du fait de son faible poids moléculaire et du fait qu'il produit la 20 vitesse la plus élevée pour un cot de gaz le plus élevé. La poudre qui est utilisée pour former le dépôt est typiquement une poudre de métal ayant des particules d'une taille située dans la plage de 5 microns à 50 microns. Les poudres typiques de pulvérisation thermique 25 sont en général trop grandes pour la pulvérisation à froid. Les tailles de particules plus petites telles que celles mentionnées plus haut permettent d'obtenir des vitesses de particules plus élevées. Au- dessous de 5 microns de diamètre, les particules de poudre sont 30 balayées du substrat du fait d'une couche d'onde de choc ou de front de choc juste au-dessus du substrat (masse insuffisante pour propulser au travers du front de choc). Plus la répartition de taille de particules est étroite, meilleure est la vitesse. Ceci du fait que si l'on a des particules grandes et petites (bimodales), les petites frappent les particules plus grandes et plus lentes et réduisent effectivement la vitesse des deux catégories. Le mécanisme de liaison employé par le procédé selon la présente invention pour transformer la poudre de métal en un dépôt est strictement à l'état solide, ce qui signifie que les particules se déforment plastiquement. 10 Une couche d'oxyde qui est formée est rompue et un contact neuf métal sur métal est créé sous très fortes pressions. Les poudres utilisées pour former le dépôt sont envoyées à l'aide de convoyeurs de pulvérisation 15 thermique modifiés. La difficulté dans l'amenée à l'aide de convoyeurs standard est due aux fines tailles de particules et aux fortes pressions. Un convoyeur personnalisé pouvant être utilisé est fabriqué par Powder Feed Dynamics de Cleveland, Ohio. Ce convoyeur a un 20 mécanisme d'amenée de type transporteur à vis. Des convoyeurs à lit fluidisé et des convoyeurs à rouleau avec grille ou fente angulaire peuvent aussi être utilisés. Dans le procédé selon la présente invention, les 25 convoyeurs sont pressurisés soit avec de l'azote, soit avec de l'hélium. Les pressions d'amenée sont en général juste au-dessus des pressions principales de gaz ou de collecteur ou de tête, lesquelles pressions de collecteur vont en général de 250 psi à 500 psi (soit entre 17,24bar 30 et 34,47bar), selon la composition de l'alliage de poudre. Le gaz principal est chauffé. Les températures de gaz sont en général de 3000F à 12000F (soit entre 148,890C et 648,890C), mais peuvent monter approximativement jusqu'à 12500F (soit 676,670C) en fonction du matériau appliqué au substrat. Le gaz est chauffé pour l'empêcher de refroidir rapidement et de 5 geler lorsqu'il se dilate en passant devant la gorge de la buse. L'effet net est une température de substrat d'environ 1150F (soit 46,110C) pendant le dépôt (qui est de ce fait une pulvérisation à froid, et non une pulvérisation à chaud). Pour former le dépôt sur le substrat 10, la buse 20 d'un canon de pulvérisation 22 doit passer plus d'une fois au-dessus des surfaces 24 et 26 du substrat 10. Le nombre de passes requises est une fonction de l'épaisseur du dépôt à appliquer. Le procédé selon la présente 15 invention est capable de former un dépôt 28 ayant une épaisseur de 2 millièmes de pouce par passe. Si l'on veut former une couche épaisse, le canon de pulvérisation 22 peut être maintenu de façon stationnaire et peut être utilisé pour former une couche de dépôt épaisse de 2 à 3 20 pouces (soit entre 50,8 et 76,2mm). Lors de l'accumulation d'une couche de dépôt, il faut limiter l'épaisseur par passe afin d'éviter une accumulation rapide de contraintes résiduelles et une délamination indésirable entre les couches de dépôt. Une épaisseur de 25 5 millièmes de pouce par passe semble être optimale. Il s'est avéré que si l'on veut appliquer un dépôt ou un revêtement 28 de cuivre ou d'alliage de cuivre sur un substrat 10, telle qu'une tubulure en acier inoxydable, on peut utiliser une poudre de cuivre ayant 30 des particules d'une taille pouvant atteindre 50 microns, de préférence une taille de particule dans la plage de 5 microns à 30 microns. Le gaz principal peut être envoyé au travers de la buse 20 via l'entrée 30 et/ou 32 à un débit entre 0,001 SCFM et 50 SCFM (soit entre 0,028 1/min et 1415 1/min), de préférence dans la plage de 15 SCFM à 35 SCFM (soit entre 424, 65 1/min et 990,85 1/min), si 5 l'hélium est utilisé comme gaz principal. Si l'azote est utilisé par lui-même ou en combinaison avec l'hélium comme gaz principal, l'azote peut être envoyé au travers de la buse 20 à un débit entre 0,001 SCFM à 30 SCFM (soit entre 0,028 1/min et 849,3 1/min), de préférence de 4,0 10 SCFM à 30 SCFM (soit entre 113,24 1/min et 849,30 1/min). La température du gaz principal peut se situer dans la plage de 600 F à 1200 F (soit entre 315,56 C et 648,89 C). La pression du canon de pulvérisation 22 peut se situer dans la plage de 200 psi à 350 psi (soit entre 15 13,9bar et 24,lbar), de préférence de 250 psi à 350 psi (soit entre 17,2bar et 24,lbar). La poudre de cuivre peut être envoyée dans le canon via la tuyauterie 34 à un débit allant de 10 grammes/min. à 100 grammes/min., de préférence de 18 grammes/min. à 50 grammes/min. La poudre 20 de cuivre est de préférence envoyée à l'aide d'un gaz porteur, introduit via l'entrée 30 et/ou 32, ayant un débit de 0,001 SCFM à 50 SCFM (soit entre 0,0028 1/min et 1415 1/min), de préférence de 10 SCFM à 35 SCFM (soit entre 283,1 1/min et 990,85 1/min), pour l'hélium, et de 25 0,001 SCFM à 30 SCFM (soit entre 0,028 1/min et 990,85 1/min), de préférence de 4,0 SCFM à 10 SCFM (soit entre 113,24 1/min et 283,1 1/min), pour l'azote. De préférence, la buse de pulvérisation 20 est maintenue à distance des surfaces 24 ou 26 du substrat 10 en train 30 d'être revêtu. Cette distance est appelée distance de pulvérisation. De préférence, la distance de pulvérisation se trouve dans la plage de 10 mm à 50 mm. L'épaisseur de dépôt par passe peut aller de 0,001 pouce à 0,030 pouce (soit entre 25,4gm et 762gm). Si la présente invention a été décrite dans le contexte de l'application d'une poudre de cuivre, le 5 procédé selon la présente invention peut être utilisé pour appliquer un dépôt d'alliage à base d'aluminium ou d'alliage à base de nickel. Plus l'alliage est dur, plus les paramètres nécessaires pour s'approcher de la densité à l'état tel que pulvérisé (as- sprayed en langue 10 anglaise) des alliages plus tendres sont élevés. Les plages de paramètres mentionnées plus haut pour former un dépôt de cuivre peuvent aussi être utilisées pour former un dépôt d'aluminium ou un dépôt de nickel. Par exemple, un dépôt d'alliage d'aluminium peut être formé en 15 utilisant une pression de canon de 300 psi (soit ,68bar), une température de gaz de 6000F (soit 315,560C), un débit d'alimentation en poudre de 21 grammes/min, un débit porteur de 13 SCFM (soit 368 1/min) d'hélium, et un débit de gaz principal de 34 SCFM (soit 20 962,54 1/min) d'hélium. Le procédé selon la présente invention présente les avantages d'éliminer les longs délais d'approvisionnement et les procédés d'électrodéposition ou de placage non respectueux de l'environnement et peut être mis en oeuvre 25 en un temps beaucoup plus court que d'autres techniques d'électrodéposition ou de placage, lesquelles techniques nécessitent souvent des semaines. Le procédé selon la présente invention a une utilité particulière dans l'application d'un dépôt de cuivre 30 épais, supérieur à 0,050 pouces (soit 1,27mm), sur les surfaces interne et externe d'une tubulure en acier inoxydable utilisée dans les moteurs de fusée. On s'est aperçu que les dépôts formés sur les substrats d'acier inoxydable selon la présente invention peuvent subir des cycles de traitement thermique tel qu'un traitement thermique à 18000F (soit 982, 220C), sans 5 formation de boursouflures ou cloques ni désintégration des liaisons. En outre, les dépôts peuvent subir des chocs cryotechniques et des cyclages thermiques sans défaillance de la liaison ni affaiblissement de l'intégrité du revêtement. En outre, les dépôts ne se 10 boursouflent ou ne cloquent pas et ne se délaminent pas. Il est manifeste qu'il a été proposé conformément à la présente invention un cuivre pulvérisé à froid pour moteurs de fusée d'étage supérieur qui satisfait totalement aux objectifs, moyens et avantages stipulés 15 cidessus. Bien que la présente invention ait été décrite dans le contexte de modes de réalisation spécifiques, d'autres alternatives, modifications et variantes seront apparentes pour les personnes compétentes dans l'art ayant lu la description qui précède. En conséquence, il est prévu d'inclure les alternatives, modifications et variantes qui se situent dans la large portée des revendications ci-jointes. REVENDICATIONS 1. Procédé pour appliquer un matériau de revêtement sur un substrat (10), comprenant les étapes consistant à: fournir des particules de poudre métallique ayant une taille située dans la plage allant d'une taille suffisante pour éviter d'être balayées du substrat du fait d'une couche d'onde de choc ou de front de choc 10 jusqu'à 50 microns; et former une couche de dépôt (28) sur au moins une surface dudit substrat (10) en faisant passer lesdites particules de poudre métallique au travers d'une buse de pulvérisation (20) à une vitesse suffisante pour déformer 15 plastiquement les particules de poudre métallique sur ladite au moins une surface. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ladite étape de fourniture de particules de poudre métallique comprend la fourniture de particules de poudre 20 métallique ayant une taille de particule dans la plage de microns à 50 microns. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ladite étape de fourniture de particules de poudre métallique comprend la fourniture d'une poudre 25 sélectionnée dans le groupe constitué des particules d'alliage de cuivre, des particules d'alliage d'aluminium et des particules d'alliage de nickel. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite étape de 30 fourniture de poudre comprend l'amenée desdites particules de poudre métallique à ladite buse (20) à un débit massique situé dans la plage de 10 grammes/minute à 100 grammes/minute, et à une pression située dans la plage allant de 17,24bar et 34,47bar en utilisant un gaz porteur sélectionné dans le groupe constitué de l'hélium, de l'azote et de leurs mélanges. 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel ladite étape d'amenée comprend l'amenée desdites particules de poudre métallique à ladite buse à un débit massique situé dans la plage de 0,001 gramme/minute à 50 10 grammes/minute. 6. Procédé selon la revendication 4 ou 5, dans lequel ledit gaz porteur comprend de l'hélium et ladite étape d'amenée comprend l'amenée dudit hélium à ladite buse à un débit situé dans la plage de 0,028 1/min à 1415 15 1/min. 7. Procédé selon la revendication 4 ou 5, dans lequel ledit gaz porteur comprend de l'hélium et ladite étape d'amenée comprend l'amenée dudit hélium à ladite buse à un débit situé dans la plage de 283,1 1/min et 20 990,85 1/min. 8. Procédé selon la revendication 4 ou 5, dans lequel ledit gaz porteur comprend de l'azote et ladite étape d'amenée comprend l'amenée dudit azote à ladite buse à un débit situé dans la plage de 0,028 1/min à 25 849,3 1/min. 9. Procédé selon la revendication 4 ou 5, dans lequel ledit gaz porteur comprend de l'azote et ladite étape d'amenée comprend l'amenée dudit azote à ladite buse à un débit situé dans la plage de 113,24 1/min et 30 283,1 1/min. 10. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ladite étape de formation comprend en outre de faire passer lesdites particules de poudre métallique au travers de ladite buse (20) en utilisant un gaz principal sélectionné dans le groupe constitué de l'hélium, de l'azote et de leurs mélanges à une température de gaz 5 principal dans la plage de 315,560C à 648,890C et à une pression de pulvérisation située dans la plage de 13, 9bar à 24,lbar. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite étape de passage desdites particules 10 comprend de faire passer lesdites particules de poudre métallique à travers ladite buse (20) à une pression de pulvérisation dans la plage allant de 17,2bar et 24,lbar. 12. Procédé selon la revendication 10 ou 11, dans lequel le gaz principal comprend de l'hélium et dans 15 lequel ladite étape de passage comprend l'amenée de l'hélium à ladite buse à un débit situé dans la plage de 0,028 1/min et 1415 1/min. 13. Procédé selon la revendication 10 ou 11, dans lequel le gaz principal comprend de l'hélium et dans 20 lequel ladite étape de passage comprend l'amenée dudit hélium à ladite buse à un débit situé dans la plage de 424,65 1/min et 990,85 1/min. 14. Procédé selon la revendication 10 ou 11, dans lequel ledit gaz principal comprend de l'azote et dans 25 lequel ladite étape de passage comprend l'amenée dudit azote à ladite buse à un débit situé dans la plage de 0,028 1/min et 849,3 1/min. 15. Procédé selon la revendication 10 ou 11, dans lequel ledit gaz principal comprend de l'azote et dans 30 lequel ladite étape de passage fait intervenir l'amenée dudit azote à ladite buse à un débit situé dans la plage de 113,24 1/min et 849,3 1/min. 16. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit substrat comprend une tubulure en acier inoxydable pour moteur de fusée et dans lequel ladite étape de formation d'une 5 couche de dépôt comprend la formation d'une couche d'alliage de cuivre sur au moins une parmi la surface extérieure et la surface intérieure de ladite tubulure. 17. Procédé selon la revendication 16, dans lequel ladite étape de formation d'une couche de dépôt (28) 10 comprend la formation d'une couche dudit alliage de cuivre ayant une épaisseur dans la plage de 25, 4pm à 762gm par passe de ladite buse (20) au-dessus d'au moins ladite une surface parmi ladite surface extérieure et ladite surface intérieure (24,26). 18. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre le maintien de ladite buse à une distance comprise entre mm et 50 mm de ladite au moins une surface revêtue. 19. Tubulure (10) de moteur de fusée ayant un dépôt 20 de cuivre contenant du matériau sur au moins une surface, ledit dépôt de cuivre étant appliqué par le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes. 20. Tubulure de moteur de fusée selon la revendication 19, dans lequel ladite tubulure est formée 25 d'un matériau d'alliage métallique. 21. Tubulure de moteur. de fusée selon la revendication 19 ou 20, dans lequel ledit dépôt de matériau contenant du cuivre est appliqué sur au moins une parmi une surface intérieure et une surface 30 extérieure (24,26) de ladite tubulure. 22. Tubulure de moteur de fusée selon l'une quelconque des revendications 19 à 21, dans lequel ledit dépôt (28) est formé à partir d'un alliage de cuivre. 23. Tubulure de moteur de fusée selon la 5 revendication 22, dans lequel ledit dépôt a une épaisseur supérieure à l,27mm.