Brevet FR2870857A1 — publié le 20051202

L'invention concerne un procédé de re-fusion de surfaces métalliques par action d'un jet de plasma à haute pression, la surface étant fondue dans des zones localement limitées et présentant, après solidification, une microstructure affinée, le jet de plasma étant généré par action de microondes sur un gaz porteur et la pression du jet de plasma à haute pression étant supérieure à la pression ambiante. L'invention concerne aussi une torche à plasma propre à la mise en oeuvre de ce procédé. La re-fusion d'alliages représente un procédé connu pour des matériaux métalliques afin d'augmenter la dureté, la solidité ou la ténacité en surface. La modification des propriétés du matériau est basée sur des reformations de microstructure qui sont provoquées par des processus de fusion et de trempe. La solidification rapide de la couche superficielle fondue est accompagnée d'une re-formation de microstructure, par exemple d'un affinement granulométrique ou de la formation de phases métastables. Dans ce cas, il suffit souvent de traiter la couche superficielle dans des zones localement limitées de la pièce de fabrication, sans modifier le matériau de base à l'extérieur de ces surfaces fonctionnelles. Il est connu du document CH 664 579 A5 d'utiliser un appareil de soudage à l'arc de plasma dans un procédé de re-fusion de surfaces métalliques par action d'un jet de plasma. Pour le traitement de la couche superficielle d'une pièce de fabrication, on connaît différents procédés à jet de haute puissance, comme par exemple la re-fusion au laser. Le procédé de re-fusion au laser est lié à des coûts d'investissement et de fonctionnement élevés. Comme autres procédés, on connaît également des procédés à jet de plasma. Les procédés à jet de plasma sont typiquement des procédés à jet fin de haute puissance présentant l'inconvénient d'une faible qualité de jet et d'une petite densité de puissance. Ici également, il est désavantageux que la possibilité de choisir le gaz de plasma est très limitée. Uniquement les gaz ou mélanges gazeux de Ar, H2 et N2 sont 2870857 2 répandus. La possibilité de régulation de l'alimentation en gaz et du courant électrique ne peut être réalisée que de façon retardée à cause de l'inertie du système; dans le meilleur des cas, le retard dans le procédé à jet de plasma est de quelques secondes. Aussi bien lors du procédé de re-fusion au laser que lors du procédé à jet de plasma, on fait fondre par exemple uniquement une zone locale d'une épaisseur de quelques m à quelques mm de la surface de la pièce de fabrication. Cependant, de tels procédés de re-fusion d'alliage ne satisfont pas les exigences accrues posées à la fabrication en grande série de pièces constitutives de grandes dimensions. En particulier dans l'industrie automobile, des procédés de re-fusion d'alliage dirigés en particulier à l'augmentation de la solidité et de la ténacité de pièces à oeuvrer ou de pièces constitutives qui sont soumises à une sollicitation thermomécanique (TMF Thermal-Mechanical Fatigue) jouent un rôle de plus en plus important, afin de remplacer les procédés de revêtement coûteux. Par exemple, ceci s'applique aux tiges de soupape et/ou aux sièges de soupape d'une culasse en métal léger. On connaît par exemple du document DE 3605519 Al un procédé pour réaliser une culasse à partir d'un alliage à fonte d'aluminium pour un moteur à combustion interne, dans lequel la surface de l'alliage d'aluminium est fondue par application d'une énergie de haute densité de puissance, comme par exemple un arc lumineux de gaz inerte à tungstène ou d'une énergie de laser et elle est rapidement refroidie jusqu'à la solidification. A titre d'autres sources d'énergie, on mentionne l'énergie de lasers, des arcs lumineux de plasma et des faisceaux électroniques. Les procédés mentionnés présentent l'inconvénient que les sources d'énergie utilisées ne permettent que de faibles densités de puissance, ou bien on doit prévoir un appareillage énorme pour obtenir des densités de puissance élevées. Ceci s'avère désavantageux pour la 2870857 3 fabrication en grande série de pièces constitutives à refondre, car ceci est lié en particulier à. des temps et des coûts de processus importants. La focalisation et la stabilisation des jets de plasma habituels sont également problématiques lorsque le plasma présente des densités d'énergie élevées. Des procédés habituels à jets de plasma sont purement des procédés de surface et ils ne conviennent pas pour la re-fusion de zones plus profondes de la surface. L'objectif sous-jacent à l'invention est par conséquent de proposer un procédé de re-fusion de surfaces métalliques de pièces constitutives, qui présente sur la surface métallique des densités d'énergie plus élevées que celles des procédés de re-fusion connus, afin de permettre en particulier des temps de processus plus courts, ainsi que de proposer une torche à plasma appropriée. Cet objectif est atteint par un procédé de re-fusion de surfaces métalliques par action d'un jet de plasma stable à haute pression, la surface étant fondue dans des zones localement limitées et présentant, après solidification, une microstructure affinée, le jet de plasma étant est généré par action de micro-ondes sur un gaz porteur, et la pression du jet de plasma à haute pression étant supérieure à la pression ambiante, ainsi que par une torche de plasma pour générer un jet de plasma dirigé à haute pression comportant une alimentation en gaz, un dispositif pour générer un plasma et une buse de sortie pour un jet de plasma, dans lequel le dispositif pour générer le plasma comprend un magnétron et un résonateur, dans lequel le gaz porteur alimenté sous pression est transformé en un plasma par action de micro-ondes, et fait sortir le plasma hors de la buse de sortie à une pression supérieure à 0,1 MPa. Le procédé conforme à l'invention prévoit donc que pour la re-fusion de surfaces métalliques, on fait passer un jet de plasma stable à haute pression sur la surface de la pièce constitutive, et suite à l'action de ce jet de plasma stable à haute pression, la surface est fondue dans des zones localement limitées et, après solidification, elle présente une microstructure affinée. Dans ce cas, le jet de plasma est généré par 2870857 4 action de micro-ondes sur un gaz porteur, la pression du jet de plasma à haute pression étant supérieure à la pression d'air. Ce procédé présente l'avantage de pouvoir atteindre une densité d'énergie élevée ou une densité de puissance élevée du jet sur la surface de la pièce constitutive. La densité de puissance élevée est basée en particulier sur la pression élevée ou sur la densité élevée du gaz de plasma. Grâce à la densité, on augmente le nombre d'atomes de gaz transmettant de l'énergie ou de molécules par unité volumique. Conformément à l'invention, la pression du jet de plasma, au moins au niveau de l'ouverture de sortie, est supérieure à 0,1 MPa, de préférence dans la plage de 0,1 à 0,8 MPa, de manière particulièrement préférée dans une plage de 0,15 à 0,4 MPa. Une pression trop élevée ne peut être atteinte que difficilement à l'égard de l'appareillage. De même, une pression trop élevée du jet de plasma mène à un soufflage non désiré de la surface fondue. Un autre effet avantageux du procédé à haute pression est que l'application de l'énergie de micro-ondes dans le gaz porteur s'effectue à un rendement thermique élevé. De préférence, la pression dans le dispositif à micro-ondes formé en particulier par un résonateur à microondes, est d'environ 0,1 à 0,8 MPa. Un autre avantage de l'invention est que le choix de gaz porteurs qui forment le jet de plasma n'est que peu limité. Lors du choix, on distingue en particulier des gaz inertes et des gaz réactifs qui, en fonction du cas d'application, peuvent également être utilisés en combinaison de manière appropriée. Parmi les gaz porteurs préférés conformément à l'invention comptent les gaz Ar, He, N2, H2, 02, CO2, H2O, CH4 et/ou C2H6 qui peuvent se présenter à l'état pur ou en différents mélanges gazeux. Selon un développement préféré de l'invention, on utilise de l'air à titre de gaz porteur. 2870857 5 Lorsque l'on vise uniquement un processus de re-fusion pur, les gaz inertes, en particulier du Ar, sont des gaz porteurs préférés. Lorsque l'on utilise des gaz réactifs, comme par exemple du 02, N2 ou H2O, il se produit une transformation partielle du métal léger superficiel avec le gaz réactif. Dans ce cas, il se forme en particulier des oxydes de métal léger ou des nitrures, par exemple du Al2O3 ou AIN. Ces produits de réalisation céramiques sont absorbés dans la couche superficielle refondue et ils provoquent un renforcement par dispersion avantageux. Un autre avantage du procédé conforme à l'invention est que l'on utilise un jet de plasma comparativement stable qui se laisse diriger de façon ciblée vers la surface de la pièce constitutive à traiter. De plus, il est possible de modifier géométriquement le jet de plasma par des techniques de dynamique des fluides, par exemple l'élargissement en forme d'éventail, ou de le focaliser. Selon une variante préférée, on utilise un jet de plasma en forme de fil d'une longueur supérieure à 5 cm. Dans une variante particulièrement préférée, le jet de plasma présente un diamètre dans la plage de 0,5 à 5 cm et une longueur dans la plage de 10 à 40 cm. Par variation du diamètre du jet de plasma et de la vitesse à laquelle le jet de plasma est dirigé sur la surface, on peut obtenir différentes températures de re-fusion et/ou différentes températures de refroidissement de la matière fondue, lors d'une puissance donnée de la torche à plasma. Le procédé conforme à l'invention de re-fusion de surfaces métalliques est particulièrement avantageux pour l'utilisation de pièces constitutives en alliages de métaux légers. Parmi ceux-ci comptent les alliages d'aluminium habituels. 2870857 6 Parmi les pièces constitutives qui se laissent traiter de manière particulièrement avantageuse par le procédé conforme à l'invention comptent en particulier des culasses. Lorsque l'on utilise les alliages d'aluminium habituels, l'énergie appliquée au moyen du jet de plasma est réglée de préférence de manière à obtenir une vitesse de refroidissement dans la plage de 20 à 110 I(/sec. Dans des culasses en alliage d'aluminium, la re-fusion est adoptée de préférence de telle sorte qu'il se forme une microstructure dans l'état T7. Typiquement, le reste de la culasse présente une microstructure T6. La couche superficielle refondue présente de préférence une épaisseur ou une profondeur dans la plage de quelques 100 pm jusqu'à quelques mm. De préférence, on adopte une épaisseur dans la plage de 0,5 à 1,5 mm. Grâce au procédé conforme à l'invention utilisant un jet de plasma à haute pression, il est cependant également possible d'adopter des couches sensiblement plus épaisses, par exemple dans la plage de plusieurs mm, sans complexité supplémentaire. Ceci peut être avantageux lorsque l'on doit par exemple usiner par enlèvement de matière des zones ciblées de la surface après la re-fusion, sans perdre complètement la couche de matière refondue. Conformément à l'invention, le jet de plasma présente une densité de puissance comparativement élevée pour pourvoir réaliser des temps de processus courts. De préférence, on traite la surface au moyen d'un jet de plasma d'une densité de puissance dans la plage de 6 à 20 kW/cm2, le jet de plasma étant déplacé à une vitesse de 2 à 4 mm/sec par-dessus la surface. Selon une autre variante préférée, le jet de plasma présente une densité de puissance dans la plage de 20 à 60 kW/cm2 et est déplacé à une vitesse de 2 à 10 mm/sec ou de 3 à 10 mm/sec à la surface. 2870857 7 Selon une autre réalisation avantageuse de l'invention, on ajoute des composants solides ou liquides au jet de plasma, à proximité de l'ouverture de sortie de buse. Ceci peut se faire aussi bien avant qu'après l'ouverture de buse. Dans ce cas, il faut veiller sur le plan structurel à exclure largement un re-mélange des composants ajoutés dans l'espace à gaz du résonateur. Selon une première variante de cette réalisation, les composants solides sont formés par des poudres céramiques. Ces particules sont de préférence nano-structurées, elles présentent donc essentiellement des tailles de particule inférieures à environ 1 m, en particulier inférieures à environ 500 nm. Les particules céramiques sont introduites par le jet de plasma dans la couche superficielle fondue et dispersées dans la couche de matière fondue. Grâce à ceci, il s'effectue un renforcement par dispersion de la couche métallique. Au moyen des particules nano- structurées, on obtient en particulier une augmentation de la résistance aux oscillations sous une charge thermomécanique de la zone superficielle locale. L'augmentation de la résistance aux oscillations est basée aussi bien sur le renforcement par dispersion de la zone locale de la couche superficielle par les particules nano-structurées finement réparties que sur la dépendance de la limite d'allongement en fonction de l'affinement de grains (rapport Hall-Patch) qui est provoquée par la re-fusion. De préférence, les composants liquides sont formés par des solutions organométalliques ou des solutions de sels métalliques. Avantageusement, les composants solides ou liquides dans la couche 30 refondue forment des particules solides qui sont constituées essentiellement de Al203, A1N, MgO, SiC et/ou Si3N4. 2870857 8 Parmi les particules céramiques préférées comptent les oxydes, tels que Al2O3, ou les nitrures, tels que A1N, Si3N4, et/ou les carbures, tels que SiC. De préférence, l'alimentation des composants solides ou liquides dans le jet de plasma s'effectue au moyen d'une buse annulaire. L'application d'une buse annulaire mène à une homogénéisation des particules nanostructurées aussi bien dans le jet de plasma que dans la couche superficielle fondue de la pièce à oeuvrer métallique. L'alimentation des composants liquides peut se faire sous forme analogue. Parmi les composants liquides préférés comptent des solutions de sels métalliques, par exemple des hydroxydes métalliques ou des sels métalliques d'acide carbonique, ou des solutions de composés organométalliques, par exemple des silanes, des carbosilanes ou des composants métalliques de chélate. Les composants liquides se décomposent sous les conditions du jet de plasma pour donner les oxydes, nitrures ou carbures métalliques correspondants. Ceux-ci agissent de manière analogue aux particules céramiques ajoutées. Les particules alimentées par la décomposition des composants liquides sont en général nettement plus fines que les celles obtenues par alimentation des composants solides. Un autre aspect de l'invention concerne l'application du procédé de refusion par jet de plasma sous haute pression à des pièces constitutives en alliage de métaux légers. Une application préférée est la re-fusion de couches superficielles de culasses, de préférence dans la zone de la tige de soupape et/ou de siège de soupape. Un autre aspect de l'invention concerne un dispositif pour générer un jet de plasma dirigé à haute pression, désigné dans ce qui suit par torche à plasma, au moyen de l'énergie de micro-ondes. 2870857 9 La structure de la torche à plasma conforme à l'invention sera expliquée plus en détail dans ce qui suit en se rapportant à des illustrations schématiques. Les figures montrent: figure 1, une torche à plasma avec tiroir de by-pass (1), diaphragme (2), buse (3), fenêtre de contrôle (4), résonateur (5), regard d'observation (6), alimentation en gaz (7), encadrement en verre (8), jet de plasma (9), ballast d'eau (10), organe de circulation (11), organe de réglage de fréquence (12) et magnétron (13) ; et figure 2, le processus de re-fusion avec une couche superficielle fondue (11), surface métallique d'une pièce constitutive (21), dispositif d'alimentation (31), particules alimentées (41), jet de plasma (9). Dans la torche à plasma destinée à générer un jet de plasma dirigé à haute pression, le gaz porteur est alimenté au moyen d'une alimentation en gaz (7). Dans ce cas, le gaz est soumis à une surpression au moins pendant l'alimentation d'énergie de micro-ondes. De préférence, on adopte une pression supérieure à 0,1 MPa, de préférence particulière dans la plage de 0,2 à 0,8 MPa. L'énergie de micro-ondes est générée dans un magnétron (13) et elle agit sur le gaz porteur dans le résonateur (5). Des fréquences habituelles sont de 0,95 à 12 GHz. De manière particulièrement préférée, on prévoit 2,45 GHz. La puissance du magnétron est déterminée en particulier en fonction de la densité de puissance souhaitée du jet de plasma. Des valeurs typiques sont dans la plage de 1 à 20 kW. La puissance des micro-ondes dans le résonateur (5) est généralement entre 0,8 à 20 kW. Les micro-ondes sont acheminées par un système à guide d'ondes 30 jusqu'au résonateur (5) et elles génèrent le plasma par couplage à la résonance. 2870857 10 Le plasma généré sort sous pression par une buse (3) et par un diaphragme (2) et il forme un jet de plasma stable (9). Pour l'évasement en forme d'éventail du jet, la buse peut présenter une expansion en direction de projection. De préférence, le jet de plasma est en outre stabilisé par une gyrostabilisation du gaz de travail. Ainsi, on permet des géométries de jet très fines, par exemple des jets de plasma à haute pression en forme de fil. Selon un autre développement de la torche à plasma conforme à l'invention, on prévoit des dispositifs qui stabilisent par voie magnétohydrodynamique le plasma hautement ionisé. A cet effet, on prévoit par exemple des diaphragmes électromagnétiques dans la zone de sortie du jet de plasma. Par rapport aux torches connues pour la re-fusion de surfaces qui utilisent de l'énergie de laser ou des arcs lumineux, la torche conforme à l'invention se distingue par une longue durée de vie et par une haute sécurité de fonctionnement grâce à sa source d'énergie de micro-ondes. Selon un autre développement de la torche à plasma conforme à l'invention, on prévoit des dispositifs d'alimentation (31) à proximité de la buse (3) au moyen desquels on peut alimenter des composants liquides ou solides dans le jet de plasma (9). La figure 2 illustre schématiquement l'alimentation de particules solides (41) dans le jet de plasma (9) à proximité du cône de plasma sur la surface à refondre (21). Selon une autre réalisation avantageuse du dispositif d'alimentation, on prévoit une buse annulaire autour du jet de plasma (9). Dans ce cas, le jet de plasma (9) et le jet de particules ou de liquide s'étendent de préférence concentriquement l'un par rapport à l'autre. 2870857 11 Revendications 1. Procédé de re-fusion de surfaces métalliques de pièces constitutives par action d'un jet de plasma stable à haute pression, la surface étant fondue dans des zones localement limitées et présentant, après solidification, une microstructure affinée, caractérisé en ce que le jet de plasma (9) est généré par action de micro-ondes sur un gaz porteur, et la pression du jet de plasma à haute pression est supérieure à la pression ambiante. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pression est dans la plage de 0,1 à 0,8 MPa. 3. Procédé selon l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérisé 15 en ce que le gaz porteur contient au moins l'un des gaz parmi He, Ar, N2, H2, 02, CO2, H2O, CH4 et/ou C2H6. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le gaz porteur est formé par de l'air. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le jet de plasma (9) présente une longueur supérieure à 5 cm. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce 25 que le jet de plasma (9) est élargi en forme d'éventail. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on ajoute des composants solides ou liquides au jet de plasma (9), à proximité de l'ouverture de sortie de buse. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que les composants solides (41) sont formés par des poudres céramiques. 2870857 12 9. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que les composants liquides sont formés par des solutions organométalliques ou des solutions de sels métalliques. 10. Procédé selon l'une ou l'autre des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que les composants solides ou liquides dans la couche refondue forment des particules solides qui sont constituées essentiellement de Al2O3, A1N, MgO, SiC et/ou Si3N4. 11. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le jet de plasma (9) présente une densité de puissance dans la plage de 6 à 20 kW/cm2, et en ce que le jet de plasma (9) est déplacé à une vitesse de 2 à 4 mm/sec à la surface. 12. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le jet de plasma (9) présente une densité de puissance dans la plage de 20 à 60 kW/cm2 et est déplacé à une vitesse de 3 à 10 mm/sec à la surface. 13. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface métallique est formée par un alliage de métaux légers. 14. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface métallique est agencée dans la zone des tiges de soupape ou de sièges de soupape d'une culasse en métal léger. 15. Procédé selon l'une des revendications précédentes en utilisant une torche de plasma pour générer un jet de plasma dirigé à haute pression comportant une alimentation en gaz, un dispositif pour générer un plasma et une buse de sortie pour un jet de plasma, caractérisé en ce que le dispositif pour générer le plasma comprend un magnétron (13) et un résonateur (5), dans lequel le gaz porteur alimenté sous pression est transformé en un plasma par action de micro-ondes, et fait sortir le 2870857 13 plasma hors de la buse de sortie (3) à une pression supérieure à 0,1 MPa. 16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que la pression du gaz porteur ou du gaz de plasma dans le résonateur (5) est de 0,2 à 0, 8 MPa. 17. Procédé selon l'une des revendications 15 ou 16, caractérisé en ce que la puissance des micro-ondes dans le résonateur (5) est de 0,8 à 20 kW. 18. Procédé selon l'une quelconque des revendications 15 à 17, caractérisé en ce qu'il est prévu un dispositif d'alimentation (31) pour des composants solides ou liquides à proximité de la buse (3). 19. Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce que le dispositif d'alimentation est réalisé sous forme de buse annulaire autour du jet de plasma (9).