Brevet FR3002238A1 — publié le 20140822

ARRIERE PLAN DE L'INVENTION L'invention concerne le domaine de la production de couche de revêtement sur substrat par projection de grains d'une poudre sur ce substrat. Il est connu de projeter de la poudre par la technique dite HVOF qui est l'acronyme de « High Velocity Oxy-Fuel », c'est-à-dire haute vitesse oxydant-carburant. Cette technique est aussi connue sous le terme de « projection par flamme supersonique ». Par supersonique, on entend que la vitesse de déplacement des grains en sortie de la buse est supérieure à 343 mètres par seconde. Cette technique consiste à apporter un comburant et un carburant dans une chambre de combustion dotée d'une sortie, et apporter une poudre dans la chambre qui, sous l'effet de la combustion, est à la fois chauffée et projetée à vitesse supersonique via la sortie de chambre pour être impactée sur un substrat. Les grains ainsi impactés sur le substrat y adhèrent fortement et y réalisent une couche de revêtement. Cette technique est utilisée dans le domaine de l'aéronautique pour réaliser des couches de revêtements sur des pièces à protéger de la corrosion et/ou de l'usure et/ou devant présenter un état de surface particulier. On constate qu'un tel revêtement présente un poids et un coût de fabrication qui augmentent avec l'épaisseur du revêtement. OBJET DE L'INVENTION Un objet de la présente invention est de réduire le poids et le coût de réalisation du revêtement tout en améliorant ses propriétés. RESUME DE L'INVENTION A cet effet, l'invention porte sur un procédé de production d'une couche de revêtement sur un substrat, comprenant : - l'introduction dans une chambre d'au moins une poudre, un carburant et un comburant ; - la combustion dans la chambre d'une partie au moins du mélange du carburant et du comburant introduits dans la chambre ; - la projection de la poudre sur un substrat, via une buse formant une sortie de la chambre. Le procédé de l'invention est essentiellement caractérisé en ce que la poudre introduite dans la chambre est composée de grains de poudre de dimensions exclusivement inférieures à 0.6 micromètre (0.6pm), ces grains étant mélangés avec un liquide. La finesse des grains projetés, inférieure à 0.6pm, est telle que l'on peut réaliser un revêtement de faible épaisseur, tout en ayant une faible probabilité que le revêtement réalisé soit poreux. Le fait de mélanger des grains de faibles tailles (inférieure à 0.6pm) dans du liquide et d'introduire ce mélange dans la chambre de combustion facilite la 20 manipulation des poudres pour les acheminer et les introduire dans la chambre de combustion sous forme de suspension solide dans le liquide. Le mélange liquide, lorsque placé dans la chambre de combustion, présente aussi l'avantage, en passant de la phase liquide à la 25 phase gazeuse, d'augmenter la pression dans la chambre et ainsi la vitesse d'éjection de la poudre hors de la chambre. On note que la température dans la chambre est prévue pour permettre : - une vaporisation du liquide ; et 30 - ramollir ou préférentiellement fondre les grains. En raison de leurs très faibles tailles, l'énergie thermique de combustion permet à la fois de vaporiser du liquide pour ainsi augmenter la vitesse de 35 sortie des grains hors de la chambre tout en les fusionnant. Les grains de petites tailles, bien qu'aillant une faible masse, présentent une énergie au moment de l'impact telle qu'ils se déforment sur le substrat et y adhèrent. On note que l'énergie des grains cumule de l'énergie thermique provenant de la combustion et de l'énergie cinétique partiellement fournie par vaporisation du liquide dans la chambre. En outre le fait de faire transiter dans la chambre des grains de faibles dimensions permet une réduction statistique de la taille et du nombre des porosités inter-grains pouvant apparaitre dans le revêtement. Pour cette autre raison le revêtement obtenu selon le procédé de l'invention présente des caractéristiques d'étanchéité améliorées. L'invention permet ainsi d'une part de réduire la quantité de poudre nécessaire à la réalisation d'un revêtement fonctionnel et d'autre part la masse et le coût du revêtement produit. On note aussi que grâce à l'invention, comme le revêtement fonctionnel peut avoir une faible épaisseur, il est plus rapidement réalisé, ce qui permet un gain de temps de production et une diminution du coût de production. Pour exemple, l'invention permet de réaliser un revêtement de l'ordre de 10 micromètres (lOpm) avec des grains de taille inférieure à 0.6 pm, alors que typiquement l'épaisseur requise pour assurer une fonction donnée, telle qu'une fonction de protection anticorrosion du substrat, est d'au moins 100 micromètres, en utilisant des grains de tailles supérieures à 5pm et généralement supérieures à lOpm. Pour exemple, chaque point d'un revêtement de lOpm obtenu par projection de grains de dimensions strictement inférieures à 500 nanomètres (500nm = 0.5pm), résulte de l'impact en ce point d'au moins 20 grains. Cette superposition des impacts entre grains en fusion de très faibles tailles permet de minimiser le risque d'avoir un défaut de revêtement le traversant dans son épaisseur. Cette réduction de risque d'apparition de défauts traversant du revêtement autorise des propriétés de protection du substrat supérieures à celles d'un revêtement traditionnel obtenu par projection de grains de tailles supérieures à lOpm. Préférentiellement, le substrat choisi pour être revêtu à l'aide du procédé selon l'invention possède une rugosité inférieure 1.2pm Ra. Habituellement, dans le domaine du revêtement en HVOF on réalise, par exemple par sablage, un état de surface dégradé du substrat pour permettre une fixation des grains dans des aspérités du substrat. La rugosité traditionnellement générée pour réaliser un revêtement par projection de grains en HVOF est comprise entre 2pm et 6pm Ra. Contrairement à cette habitude, le procédé selon l'invention permet de générer un revêtement sur un substrat de rugosité plus faible tout en présentant un très bon niveau d'adhérence des grains car ceux-ci ont des tailles réduites compatibles avec des irrégularités du substrat de tailles réduites. Ainsi, l'invention permet de se passer d'une étape de sablage préalable et permet aussi de se passer d'une étape de rectification après application du revêtement. Cette rectification est traditionnellement nécessaire car si le sablage était utile pour favoriser l'adhérence de grains supérieurs à plusieurs micromètres, il présente l'inconvénient de dégrader la surface à un point que le revêtement ainsi généré est irrégulier et doit être rectifié. La présente invention permet aussi de se passer d'une étape de rectification du revêtement. Comme indiqué ci-après en référence aux dessins, l'invention concerne aussi un système pour la mise en oeuvre du procédé de génération d'une couche de revêtement sur un substrat. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 décrit un système selon l'invention pour la production d'une couche de revêtement sur un substrat, ce système permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Il est ici proposé un procédé et un système permettant de générer une couche de revêtement Rev très fine (moins de 50pm d'épaisseur) sur un substrat Sub : - par préparation d'un mélange de liquide et de grains de tailles nanométriques ; puis - par admission de ce mélange dans une chambre de combustion Cbr où l'on réalise une combustion de carburant et de comburant, on évapore dans la chambre Cbr le liquide du mélange et on met simultanément en fusion les grains nanométriques présents dans la chambre, ces grains en fusion étant accélérés par les vapeurs du liquide et les gaz de combustion et étant éjectés via une buse B de la chambre Cbr pour être impactés sur une surface de substrat à revêtir Sub. En raison de la nature volatile des grains de tailles nanométriques (tailles exclusivement inférieures à 0.6pm et préférentiellement comprise entre 5 et 500 nanomètres) et de leurs faibles masses, la poudre à projeter présente un risque pour l'environnement et la santé humaine. Ces grains du mélange pulvérulent (ci- après poudre) sont, en effet, susceptibles d'être inhalés ou de passer au travers des pores de la peau. L'usage du liquide permet de porter les grains dans une conduite Cl jusqu'à l'endroit de combustion Cbr, sans risque pour l'environnement ou la santé humaine. L'accélération subie par les grains est en partie du fait de l'évaporation du liquide dans la chambre. Ces grains de tailles nanométriques sont ainsi éjectés de la chambre à vitesse supersonique et en état de fusion. Du fait de leurs très faibles dimensions, les grains peuvent rapidement fusionner à coeur, ce qui favorise ainsi l'adhérence du matériau de grain sur le substrat Sub. Ces grains ont des dimensions maximales strictement inférieures à 600 nanomètres et préférentiellement strictement inférieures 500 nanomètres, et préférentiellement comprises entre 5 et 500 nanomètres On note que le mélange de grains et du liquide est idéalement ajusté pour que plus de 50% de la masse totale des grains de poudre introduits dans la chambre soit composée de grains de dimensions supérieures à 5 nanomètres. Les grains sont préférentiellement choisis pour être en des matériaux ayant des températures de fusion comprises entre 1500°C et 2900°C et la combustion dans la chambre est ajustée pour générer une température suffisante pour à la fois évaporer le liquide de transport des grains et porter les grains à l'état de fusion à coeur. Dans le cas de revêtement composite, Carbure de Tungstène dans une matrice Cobalt-Chrome par exemple, il se peut que seule la matrice soit fondue ou, au moins ramollie. Préférentiellement, les grains choisis contiennent du carbure et/ou de l'alumine. Ce carbure est préférentiellement du carbure de tungstène WC et plus précisément du WCCoCr (carbure de tungstène avec matrice cobalt et chrome). Le comburant et le carburant sont choisies pour que la température de combustion dans la chambre puisse aller jusqu'à environ 2800°C et soit préférentiellement 35 ajustable pour s'assurer que les grains aient une température favorable à une adhérence au moment de l'impact sans que cette température provoque une oxydation ou une décarburation trop importante des grains. On note que le liquide est choisi pour avoir une interaction chimique la plus faible possible avec le matériau des grains et avec le revêtement formé. Pour cela, le liquide est préférentiellement de l'alcool et/ou de l'eau éventuellement déminéralisée (l'eau a pour inconvénient de nécessiter une plus grande énergie de vaporisation que l'alcool, mais à pour avantage d'être plus neutre chimiquement). Le débit de mélange, la concentration massique en poudre de ce mélange, ainsi que le débit de carburant et de comburant et éventuellement le débit d'air comprimé sont ajustés via des actionneurs tels que des pompes et/ou des vannes proportionnelles de manière qu'au moment de l'impact des grains sur le substrat, la quantité de liquide mélangée aux grains impactés soit quasiment nulle. L'impact à sec des grains en fusion (ou éventuellement juste ramollis) sur le substrat solide, favorise l'adhérence du matériau. Le mélange des grains solides dans le liquide est ajusté pour que sa concentration massique en poudre soit comprise entre des valeurs minimales et maximales prédéterminées. La concentration massique de grains de poudre dans le liquide doit être comprise entre 10% et 50%. Comme indiqué précédemment, l'invention concerne également un système S pour la production d'une couche de revêtement Rev sur un substrat Sub. Ce système S est décrit à la figure 1 est permet la mise en oeuvre du procédé de production de la couche de revêtement Rev selon l'invention. Pour cela la réserve de poudre R1 contient la poudre utilisée selon le procédé de l'invention et la réserve de liquide R2, qui peut être une simple adduction contient le liquide utilisé pour mettre en oeuvre le procédé de l'invention (par exemple le liquide est de l'eau ou de l'alcool). Ce système S, comprend : - une chambre de combustion Cbr comportant des entrées de carburant et de comburant E3, une entrée d'admission de poudre El et une buse B formant une sortie de la chambre Cbr ; - une réserve de poudre R1 et un circuit d'alimentation en poudre Cl reliant la réserve de poudre R1 à l'entrée d'admission de poudre El de la chambre Cbr. Le système comprend aussi une réserve de carburant R3 qui peut être sous forme gazeuse comme sur la figure 1 (propane, propylène, hydrogène, acétylène, gaz naturel) ou liquide (kérozène). La réserve de carburant R3 est reliée à l'entrée de carburant et de comburant E3 via un circuit C3 comportant une vanne régulée V3. Le système comprend aussi une réserve ce comburant R4 tel que de l'oxygène sous pression. La réserve de comburant R4 est aussi reliée à l'entrée E3 via un circuit C4 comportant une vanne régulée V4. Les flux/débits de carburant et le comburant sont ajustés grâce aux vannes V3 et V4 et ces flux sont mélangés en entrant dans la chambre Cbr. Il est aussi possible que la chambre Cbr comporte des entrées séparées de carburant et de comburant afin que le mélange se fasse à l'intérieur de la chambre Cbr. Le système peut aussi comporter un moyen d'alimentation en un mélange gazeux, tel que de l'air ou un gaz neutre comme de l'azote. Ce mélange peut par exemple être fourni à l'aide d'un compresseur Cp ou d'une réserve sous pression. Un circuit C5 relie le moyen d'alimentation en mélange gazeux Cp à une entrée E4 de la chambre. Un moyen de régulation du débit de ce mélange gazeux vers l'entrée E4 peut par exemple commander le compresseur Cp et/ou une vanne de débit de mélange V5. Ce mélange gazeux à pour fonction de réguler la vitesse des fluides et grains en sortie de buse B sans avoir à jouer sur les débits de liquide ou de poudre ou sur les débits de comburant et/ou de carburant. Le circuit d'admission de poudre Cl comporte en outre : - une réserve de liquide R2 ; et - des moyens de mélange ML comportant des entrées E5, E6 respectivement reliés à la réserve de poudre R1 et à la réserve de liquide R2 et une sortie de mélange Si reliée à l'entrée d'admission de poudre de la chambre El. Comme on le voit sur la figure 1, les moyens de mélange ML peuvent comporter une zone de mélange Zl formée d'une conduite dans laquelle le liquide et les grains de poudre sont agités tout en se déplaçant vers la chambre Cbr où ils doivent être admis. La zone de mélange Zl peut comporter des moyens d'agitation passifs tels que des obstacles à l'écoulement ou des moyens de génération de turbulences dans l'écoulement favorable au mélange (par exemple des ailettes fixes ou mobiles). La zone de mélange Zl peut aussi comporter des moyens d'agitation actifs tels que des surfaces mobiles par motorisation. L'entrée d'admission El de poudre (grains) et de liquide de la chambre Cbr comporte un injecteur Inj favorisant la vaporisation du liquide dans la chambre de combustion Cbr et permettant une homogénéisation de la dispersion des grains dans cette chambre Cbr. On homogénéise ainsi la thermodynamique de la chambre ce qui permet d'avoir des grains en sortie de chambre B qui ont des températures et vitesses proches les unes des autres. Afin de favoriser cette homogénéisation, l'entrée El dans la chambre est située en partie centrale, face à la sortie de buse. Les entrées E3 et E4 débouchent dans les zones périphériques de la chambre Cbr et périphériques à l'entrée El et débouchent de manière à réaliser des entrées de fluides en spirales autour de l'entrée El. Comme on le verra par la suite, la combustion du carburant et du comburant augmente la température dans la chambre et permet de vaporiser le liquide et fusionner les grains. Cette dynamique génère un flux supersonique Flx en sortie de la buse B. La vitesse de ce flux Flx peut être accélérée un augmentant le débit de mélange gazeux venant du circuit C5, ce qui permet d'ajouter aux grains une énergie cinétique supplémentaire favorable à leur adhérence sur le substrat Sub. Les moyens de mélange ML sont agencés pour mélanger de la poudre provenant de la réserve de poudre R1 à du liquide provenant de la réserve de liquide R2 et pour introduire ce mélange, via la sortie Si reliée à l'entrée d'admission de poudre El de la chambre CBR. Idéalement, les moyens de mélange ML comportent des moyens d'ajustement de la concentration massique en poudre du mélange. Pour cela les moyens de mélange comportent aussi : - une pompe de dosage P2 reliée à la réserve de liquide R2 pour y pomper du liquide et le transférer vers la zone de mélange Zl ; et - une pompe de dosage Pl reliée à la réserve de poudre R1 pour y pomper de la poudre et la transférer vers la zone de mélange Zl. Au moins un régulateur de pompe(s) est agencé pour réguler le débit de liquide via cette pompe P2 et/ou le débit de poudre via cette pompe Pl. Idéalement, l'une au moins de ces pompes Pl, P2 est une pompe péristatique. Il est aussi possible que la pompe Pl et/ou la pompe P2 soient remplacées par un ou plusieurs moyens d'obturation correspondants tels que vanne(s) proportionnelle(s). Dans ce cas les réserves R1 et ou R2 seraient mises sous pression et le ou les moyens d'obturation sont agencés pour autoriser le passage sélectif de la poudre et/ou du liquide selon des instructions de régulation générées par le(s) régulateur (s) On note aussi que les vannes V3 et/ou V4 pourraient aussi être remplacées par des pompes, mais dans ce cas les réserves R3 et/ou R4 ne seraient pas sous pression. Le système de l'invention comporte aussi des moyens de calcul UC, tels qu'une unité centrale UC. Ces moyens de calculs sont reliés aux différents actionneurs (pompes Pl, P2 et/ou vannes proportionnelles V3, V4, V5 et/ou compresseur Cp) pour réguler le flux de liquide (*) et/ou le flux de poudre (*) et/ou la concentration en poudre du mélange (*) et/ou le flux de combustible (*) et/ou le flux d'air comprimé (*). (*) : Introduit dans la chambre. On note que la concentration massique du mélange en poudre est égale à la masse de grains contenue dans un volume donné du mélange poudre / liquide divisée par la masse de ce volume donné de mélange. Cette concentration massique en poudre du mélange poudre / liquide est mesurée par des moyens de mesure MM disposés sur le circuit Cl. La mesure est par exemple réalisée à l'aide de capteurs tels que des capteurs de conductivité Ccond mesurant la conductivité du mélange (la conductivité est affectée par la concentration en grains du mélange). La concentration massique du mélange en poudre dans le liquide est ajustée à l'aide de la ou des pompes péri statiques Pl et P2. Alternativement, on note que la pompe P2 peut être une pompe à débit fixe ou une pompe à débit variable régulée par le régulateur intégré à l'unité de centrale UC. L'unité de centrale UC gère ainsi les arrivées de fluides gazeux / liquide et de poudre vers la chambre pour ainsi ajuster la vitesse de sortie du flux Flx et la température des grains qu'il contient ainsi que sa concentration volumique en grains. Ces caractéristiques définissent des conditions d'adhérence idéales de la poudre nanométrique sur le substrat permettant ainsi de réaliser des revêtements d'extrêmement bonne qualité et homogénéité ce qui autorise finesse de revêtement et réduction de coût et de poids. L'invention permet grâce à la grande vitesse de projection des grains, d'utiliser des températures de chauffe de l'ordre de 3000°C qui sont bien plus faibles que les température de projection plasma, évitant ainsi un risque de dégradation des matériaux de grains durant la chauffe. Par exemple avec une température relativement faible de l'ordre de 3000°C, on réduit la décarburation des grains de carbures et on réduit l'oxydation des poudres métalliques. Ceci permet d'obtenir d'excellentes propriétés mécaniques du revêtement : haute densité, forte adhérence, très bonne résistance à l'usure et à la corrosion et faible porosité ainsi qu'une dureté améliorée du fait de la réduction de cette porosité. Le système S de l'invention peut aussi comporter des moyens pour déplacer le substrat Sub et/ou la buse B l'un par rapport à l'autre, ces moyens pouvant aussi être commandés par l'unité centrale UC. On peut aussi prévoir qu'en fin d'étape de projection, l'unité centrale UC commande dans un premier temps l'arrêt de l'alimentation de la chambre en grains avec la poursuite de son alimentation en liquide puis que dans un second temps la chambre commande l'arrêt de l'alimentation de la chambre en liquide. Ceci permet de rincer / purger la buse B et ainsi réduire la quantité de grains restants dans la chambre. On réduit ainsi le risque de boucher la buse ou l'injecteur après refroidissement. Il est également compris dans le cadre de l'invention que la suspension de poudre dans le liquide soit produite par des moyens de mélanges autres que ceux décrits en référence à la figure 1. Le mélange peut être conservé dans la réserve R1, à la place de la poudre seule. Dans ce cas la réserve R1 peut contenir un agitateur actif (motorisé) et la réserve R2 peut être supprimée ou réduite pour uniquement répondre aux besoins de rinçage de chambre en fin de l'étape de projection du mélange. Enfin, l'invention porte sur un procédé de production d'une pièce d'aéronautique, telle qu'une tige d'atterrisseur en acier, comportant la réalisation d'une couche de revêtement sur cette pièce, cette couche ayant une épaisseur inférieure à 50pm et préférentiellement inférieure à 40pm et préférentiellement inférieure à lOpm. Ce procédé de production de pièce d'aéronautique utilisant le procédé de production d'une couche de revêtement sur un substrat selon l'invention et/ou le système pour la production d'une couche de revêtement sur un substrat selon l'invention (le substrat étant alors constitué par la pièce non revêtue). L'invention porte aussi sur une pièce réalisée avec l'un quelconque des procédés précités conformes à l'invention. REVENDICATIONS1. Procédé de production d'une couche de revêtement (Rev) sur un substrat (Sub), comprenant : - l'introduction dans une chambre (Cbr) d'au moins une poudre, un carburant et un comburant ; - la combustion dans la chambre (Cbr) d'une partie au moins du mélange du carburant et du comburant introduits dans la chambre (Cbr) ; - la projection de la poudre sur un substrat (Sub), via une buse (B) formant une sortie de la chambre (Cbr) ; caractérisé en ce que la poudre introduite dans la chambre est composée de grains de poudre de dimensions exclusivement inférieures à 0.6 micromètre, ces grains étant mélangés avec un liquide. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les grains de poudre introduits sont de dimensions exclusivement inférieures à 500 nanomètres. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel plus de 50% de la masse totale des grains de poudre introduits dans la chambre est composée de grains de dimensions supérieures à 5 nanomètres. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le liquide et les grains de la poudre sont introduits dans la chambre sous la forme d'un mélange des grains solides en suspension dans le liquide. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les grains de poudre introduits dans la chambre contiennent de l'alumine et/ou du carbure de tungstène, le liquide introduit dans la chambre étant de l'alcool et/ou de l'eau. - 3002238 . , 15 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le mélange des grains solides dans le liquide à une concentration massique en grains qui est ajustée pour être comprise 5 entre des valeurs minimales et maximales prédéterminées. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la vitesse de projection des grains en sortie de buse est supersonique et la rugosité du substrat sur lequel sont projetés les 10 grains de poudre est choisie pour être inférieure à 1.2pm Ra. 8. Système pour la production d'une couche de revêtement (Rev) sur un substrat (Sub), comprenant : - une chambre de combustion (Cbr) comportant des 15 entrées de carburant (E3) et de comburant (E3), une entrée d'admission de poudre (El) et une buse (B) formant une sortie de la chambre (Cbr) ; - une réserve de poudre (R1) et un circuit d'alimentation en poudre (Cl) reliant la réserve de 20 poudre (R1) à l'entrée d'admission de poudre (El) de la chambre (Cbr) ; caractérisé en ce que le circuit d'admission de poudre (Cl) comporte en outre : - une réserve de liquide (R2); et 25 - des moyens de mélange (ML) comportant des entrées (E5, E6) respectivement reliés à la réserve de poudre (R1) et à la réserve de liquide (R2) et une sortie de mélange (Si) reliée à l'entrée d'admission de poudre (El) de la chambre (Cbr) ; 30 ces moyens de mélange (ML) étant agencés pour mélanger de la poudre provenant de la réserve de poudre (R1) à du liquide provenant de la réserve de liquide (R2) et pour introduire ce mélange, via l'entrée d'admission de poudre (El) de la chambre (Cbr), les moyens de mélange (ML) 35 comportant des moyens d'ajustement de la concentrationmassique en poudre du mélange (Pl, P2, UC, Cond, MM). 9. Système selon la revendication 8, dans lequel les moyens de mélange (ML) comportent : - une pompe de dosage (P2) reliée pour pomper du liquide de la réserve de liquide (R2) et un régulateur (UC) agencé pour réguler le débit de liquide via cette pompe (P2); et/ou - une pompe de dosage (Pl) reliée pour pomper de la poudre de la réserve de poudre (R1), et un régulateur (UC) agencé pour réguler le débit de poudre via cette pompe (P1). 10. Système selon l'une au moins des revendications 8 et 9, dans lequel l'entrée d'admission de poudre (El) de la chambre (Cbr) comporte un injecteur (mi).