Brevet FR3095969A1 — publié le 20201120

Description Titre de l'invention : Couche de protection comprenant du phosphure de nickel et du polytétrafluoroéthylène, procédé de fa- brication associée et roue de compresseur munie d'une telle couche. Domaine technique 100011 L'invention a pour domaine technique les procédés de protection contre l'érosion, et plus particulièrement, de tels procédés appliqués à la protection de l'étage compresseur pour un turbocompresseur. Problème technique 100021 Dans le but de dépolluer les moteurs à combustion interne, la perspective technique par l'ensemble des constructeurs automobile est le recours, pour les moteurs suralimentés par turbocompresseur, à la recirculation partielle à l'admission des gaz de combustion dans un circuit basse pression, appelée par la suite « EGR BP », (avec EGR l'acronyme anglophone pour « Exhaust Gas Recycling » et l'acronyme BP pour basse pression). 11 est rappelé que l'EGR BP consiste à prélever des gaz d'échappement en un point du circuit (l'échappement situé en aval de la turbine du turbocompresseur de suralimentation du moteur, généralement encore derrière un dispositif de dépollution lui-même monté en aval de la turbine, et à les réinjecter à l'admission du moteur en un point du circuit d'admission situé en amont du compresseur du turbocompresseur de suralimentation du moteur, c'est-à-dire avant l'étage de compression de l'air. 100031 L'EGR Basse Pression a pour intérêt de diminuer la température de combustion. Cette diminution de température a pour but : [0004] - de diminuer les émissions d'oxydes d'azote NOx tant sur des applications de moteurs à carburant diesel qu'essence ; [0005] - de permettre l'utilisation de turbocompresseurs à géométrie variable sur des moteurs essence, technologie jusqu'alors quasiment réservée aux moteurs diesel de part des températures à l'échappement moins élevées que celles relevées pour des moteurs essence, températures compatibles avec la résistance des ailettes sur unc turbine à géométrie variable. On rappelle qu'une turbine à géométrie variable comprend des ailettes dont l'angle ou l'espacement peuvent être modifiés de sorte à modifier l'arrosage de la roue de la turbine, modulant ainsi le travail mécanique récupéré sur l'étage turbine et fourni à l'étage compresseur. [0006] Un des inconvénients de l'EGR BP est la présence de condensats en amont de l'étage de compression. En effet, les gaz de combustion contiennent de l'eau, qui est un produit normal de la combustion. Lors de son parcours entre le piquage de prélèvement 2 des gaz et le lieu d'injection, les gaz d'EGR BP refroidissent (par pertes aux parois ou au travers d'un refroidisseur). Au moment du mélange avec l'air frais, l'eau contenue dans les gaz se condense et devient alors liquide. Sous cette forme, les gouttelettes d'eau viennent impacter la roue compresseur du premier étage de suralimentation, provoquant son érosion et à terme, sa destruction. [0007] Un but de l'invention est d'éviter ce phénomène d'érosion. Etat de la technique antérieure [0008] De l'état de la technique antérieure, on connaît les documents suivants. [0009] Le document W02016048944 décrit un revêtement destiné à empêcher les phénomènes de laquage et d'encrassement de certaines zones sensibles d'un moteur à combustion interne (par exemple : injecteurs, circuit EGR proprement dit, etc.). [0010] Lc document W09957185 décrit un revêtement alternativement hydrophobe et hy- drophile. [0011] Lc document W02006126993A1 décrit un revêtement de surface à hase de nickel et/ ou de polytétratluoroéthylène de nickel à teneur comprise entre 5 et 25 %, électrodéposé sur tout ou partie d'un compresseur de moteur à combustion interne muni d'un EGR BP. Exposé de l'invention [0012] L'invention a pour objet une couche de protection comprenant du phosphure de nickel et du polytétrafluoroéthylène, la couche de protection étant structurée pour présenter un premier réseau périodique de bosses à la surface desquelles et entre lesquelles un deuxième réseau périodique de bosses est présent, le premier réseau présentant une première période et le deuxième réseau présentant une deuxième période. 10013] La première période peut être égale à 20pm et la deuxième période peut être comprise entre 200nm et 1pm. 10014] La couche de protection peut comprendre une couche de phosphure de nickel structurée de sorte à présenter le premier réseau périodique de bosses à la surface desquelles et entre lesquelles le deuxième réseau périodique de bosses est présent, une couche de polytétralluoroéthylène étant déposée sur la couche structurée de phosphure de nickel. 10015] La couche de protection peut comprendre une couche de phosphure de nickel et de polytétralluoroéthylène codéposés structurée de sorte à présenter le premier réseau périodique de bosses à la surface desquelles et entre lesquelles le deuxième réseau périodique de bosses est présent. 10016] L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une couche de protection telle que définie ci-dessus, dans lequel on réalise les étapes suivantes : 3 on dépose une couche de phosphure de nickel par électrodéposition, on structure la couche de phosphure de nickel par photolithographie et gravure, et on dépose ensuite une couche de polytétrafluoroéthylène en phase vapeur ou par électrodéposition. [0017] Pour réaliser le dépôt d'une couche de phosphure de nickel par électrodéposition, on peut utiliser un bain de nickelage comprenant du phosphore et des particules de talc préalablement traitées par carboxyméthylcellulose afin d'en augmenter la mouillabilité. [0018] L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une couche de protection telle que définie ci-dessus, dans lequel on réalise les étapes suivantes : on codépose une couche de phosphure de nickel et de polytétrafluoroéthylène par électrodéposition, on structure la couche de phosphure de nickel et de polytétrafluoroéthylène par photolithographie et gravure. [0019] L'invention a aussi pour objet une roue d'un étage compresseur d'un turbocom- presseur pour l'alimentation d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile, muni d'une recirculation partielle de gaz d'échappement, caractérisé par le fait qu'elle comprend une couche de protection telle que définie ci-dessus, contre l'érosion par les condensats résultant du mélange d'air frais et de gaz d'échappement partiellement recirculés. [0020] La couche de protection selon l'invention présente l'avantage d'une épaisseur de NiP et de polytétrafluoroéthylène réduite permettant de diminuer la masse de la roue de l'étage compresseur, en vue d'améliorer sa tenue en fatigue. Brève description des dessins [0021] D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence au dessin annexé sur lequel : [0022] - [fig.1] illustre un revêtement de protection contre l'érosion selon l'invention. Description détaillée 100231 A l'heure actuelle, une des explications du phénomène d'érosion est que l'énergie dégagée par l'impact des gouttes d'eau sur la roue de l'étage compresseur d'un turbocompresseur d'alimentation d'un moteur à combustion interne entraîne des arrachements de matière. 100241 L'énergie dégagée est fonction : 100251 - de la taille de goutte, 100261 - de la vitesse de rotation de la roue compresseur 100271 - du débit d'eau condensé (et donc du débit d' EGR BP), et [0028] - de la zone d'impact sur la roue. [0029] Les essais menés montrent de manière semi-empirique que les impacts en bout d'ailettes de la roue et le film d'eau aux parois sont plus néfastes que l'impact des condensats au centre de la roue compresseur. [0030] Par ailleurs, ces essais ont également montré que l'érosion est proportionnelle au carré de la vitesse de rotation de la roue compresseur. Toutefois, cette vitesse contribue à la performance du moteur et ne constitue donc pas une variable d'ajustement. [0031] Afin d'éviter l'endommagement du compresseur alimentant un moteur à combustion interne muni d'un circuit EGR BP, un revêtement super-hydrophobe est appliqué au conduit en amont du compresseur et à la roue compresseur. [0032] On rappelle que la différence entre un revêtement hydrophobe et un revêtement super-hydrophobe réside dans la mouillabilité résultant du traitement, et en particulier dans l'angle de mouillage. [0033] L'application d'un tel revêtement super-hydrophobe permet de : [0034] - prévenir le dépôt de gouttelettes sur les parois, afin d'éviter les phénomènes de ruis- sellement vers le voisinage de la roue compresseur ; [0035] - limiter la surface de contact entre la roue de l'étage compresseur et la gouttelette, afin de limiter la transmission d'énergie de la goutte à l'ailette au moment de l'impact. [0036] De l'état de la technique, il est connu qu'un revêtement de résistance à l'érosion tel le phosphure de nickel NiP alourdit la roue, cc qui entraîne une diminution de la résistance à la fatigue. En d'autres termes, le revêtement utilisé à l'heure actuelle augmente la résistance vis-à-vis de l'érosion de la roue compresseur, tout en diminuant ses capacités mécaniques vis-à-vis de la fatigue. [0037] Comme cela a été expliqué plus haut, l'état de la technique actuelle concernant la protection contre l'érosion est uniquement basée sur les propriétés apolaires du polytétrafluoroéthylène. En d'autres termes, seules les interactions ayant pour origine les phénomènes de polarité sont prises en compte. Ainsi, l'angle de goutte prend une valeur de seulement 115°, une telle valeur caractérisant un comportement dit hydrophobe ». On parle d'un angle supérieur à 150° pour qualifier un comportement dit « super-hydrophobe ». [0038] Pour améliorer la résistance aux condensats, on souhaite obtenir une mouillabilité su- périeure à celle obtenue avec le PTFE. Les inventeurs se sont aperçus d'un effet surprenant sur la mouillabilité lorsqu'une couche de PTFE est combinée avec une structuration particulière de la surface. [0039] Un tel angle de goutte amélioré permet de diminuer l'énergie dégagée à l'impact des gouttes d'eau sur la roue compresseur, afin de la protéger de l'érosion. Il permet également de réduire l'épaisseur du traitement de protection contre l'érosion ou de le supprimer. [0040] Un angle de goutte augmenté permet également de protéger l'étage compresseur contre l'érosion par les condensats, quelle que soit leur forme : gouttes, brouillard ou encore ruissellement aux parois, tout en permettant de procéder à une réduction de l'épaisseur de la couche de NiP afin d'améliorer la tenue en fatigue. [0041] Le revêtement super-hydrophobe comprend une texture particulière résultant d'une succession de creux et de bosses dont la taille et la périodicité sont comprises entre 10 et 20 microns (v,m). Ces bosses sont également caractérisées par une surface rugueuse, de granulométrie comprise entre quelques centaines de nanomètres à un micron obtenues par gravure. [0042] Dans un mode de réalisation, on réalise un dépôt de phosphure de nickel NiP par électrodéposition. Cette couche permet de protéger la roue de l'étage compresseur et sert de substrat de départ pour la nano-structure. On réalise ensuite un dépôt de PTFE en phase vapeur ou par électrodéposition. [0043] Plus précisément, le procédé débute par une première étape au cours de laquelle la roue de l'étage compresseur est polie, jusqu'à une granulométrie située dans un intervalle compris entre 0,025 micron (Fini) et 1 micron (uni), exprimée sous la forme du critère Ra qui correspond de manière connue en soi à la rugosité moyenne arithmétique du profil, de sorte à obtenir un état « miroir ». [0044] Au cours d'une deuxième étape, on nettoie la roue ainsi polie avec un solvant, notamment de l'acétone, puis on rince la roue avec de l'eau déminéralisée. Cette étape permet de retirer les résidus organiques et minéraux. [0045] Au cours d'une troisième étape, on réalise un décapage chimique avec un acide, notamment de l'acide chlorhydrique. On rince ensuite la roue avec de l'eau déminéralisée. [0046] Au cours d'une quatrième étape, on réalise un séchage de la roue. [0047] Au cours d'une cinquième étape, on prépare un bain de nickelage. Le bain de nickelage comprend du phosphore et des particules de talc, l'ensemble étant solubilisé dans de l'eau déminéralisée. [0048] Le taux massique de phosphore dépend des propriétés de dureté de la couche de dépôt visée. On rappelle que l'on distingue généralement des bains « bas phosphore », dont le taux massique de phosphore varie de 1 à 4 %m, des bains « moyen phosphore » dont le taux massique de phosphore varie de 5 à 9 %m et des bains « haut phosphore » dont le taux massique de phosphore est d'au moins 10%m. [0049] Les particules de talc sont préalablement traitées par carboxyméthylcellulose afin d'en augmenter la mouillabilité. La concentration en talc est fonction de la taille et de la morphologie souhaitées. [0050] Au cours d'une sixième étape, on plonge la roue pendant une durée prédéterminée, fonction de la taille des bosses souhaitée. On rince ensuite la roue avec de l'eau démi- 6 néral i séc. [0051] Au cours d'une septième étape, on nettoie la roue avec de l'acétone puis avec de l'alcool, l'alcool n'étant pas nettoyé au préalable par de l'eau, notamment déminéralisée. On dépose une résine positive par centrifugation, sur le même mode que l'emploi d'une tournette : [0052] Des gouttes de résine sont déposées sur la roue, préalablement assemblée à des moyens de mise en rotation ; [0053] La mise en rotation de la roue permet de centrifuger la résine vers le rayon extérieur de la roue. [0054] Une attention particulière est apportée à l'homogénéité de l'épaisseur de la couche de résine pour parvenir à une épaisseur compatible avec l'opération de gravure utilisée par la suite. La mise au point permet de fixer notamment la taille de la goutte de résine, la distribution des gouttes sur la roue, la température de la roue, la température de la résine, et la vitesse de centrifugation. [0055] Dans le cas où il reste nécessaire de rectifier l'épaisseur localement, on recourt à un fraisage partiel, procédé déjà massivement utilisé dans la fabrication des roues de compresseur. [0056] Au cours d'une huitième étape, on sensibilise la résine positive avec une irradiation à travers un masque présentant motif permettant d'obtenir dans la résine un réseau périodique en damier présentant des dimensions comprises entre 200 nm (nanomètre) et lpm avec une période comprise entre 200 nm et lpm. On solubilise ensuite les parties sensibilisées à travers le masque avec un solvant de révélation puis on réalise une attaque chimique de la couche de NiP située sous les parties qui ne sont plus masquées par la résine positive. La profondeur de gravure dépend de la microstructure et de la mouillabilité recherchées. [0057] Au cours d'une neuvième étape, on rince la roue de sorte à retirer toute la résine positive avec un solvant de retrait, puis on réalise un recuit de la couche de NiP. La durée du recuit et sa température sont fonction d'un compromis entre la dureté cible et la ductilité de la roue. [0058] L'homme du métier comprendra que la résine positive, la longueur d'onde et l'intensité de l'irradiation, le solvant de révélation et le solvant de retrait sont liés. [0059] Au cours d'une dixième étape, on dépose ensuite par dépôt en phase vapeur ou par électrodéposition une couche de PTFE sur la roue après recuit de la couche de NiP. [0060] L'épaisseur de la couche de PTFE est fonction de la mouillabilité recherchée de la roue de l'étage compresseur. [0061] Sur la figure 1, on peut voir le revêtement de protection contre l'érosion référencé 1 présentant un premier réseau périodique de bosses 2 à la surface desquelles et entre lesquelles un deuxième réseau périodique est présent. Le premier réseau présente une 7 première période a et le deuxième réseau présente une deuxième période h. Comme présenté ci-dessus, la première période a est de préférence égale à 20pm et la deuxième période h est comprise entre 200 nm et lpm. [0062] Le revêtement de protection contre l'érosion permet d'obtenir qu'une goutte de condensat forme un angle de goutte a supérieur à celui obtenu avec une couche de PTh'F seule, notamment supérieur à 115°. [0063] Dans un autre mode de réalisation, on réalise un co-dépôt de NiP et de PTFE au cours d'une première étape. Les bosses sont obtenues par adjonction de talc conditionné par un traitement au carboxyméthylcellulose. La taille des particules de talc est choisie en fonction de la granulométrie souhaitée à l'issue du procédé de codépôt. [0064] Au cours d'une deuxième étape, on nettoie la roue avec de l'acétone puis avec de l'alcool et on dépose une résine positive présentant unc résolution comprise entre 200 nm et lpm. [0065] Au cours d'une troisième étape, on sensibilise la résine positive avec une irradiation à travers un masque présentant un motif permettant d'obtenir dans la résine un réseau périodique en damier présentant des dimensions comprises entre 200 nm et lpm avec une période comprise entre 200 nm et 1pm. On solubilise ensuite les parties sensibilisées à travers le masque avec un solvant de révélation puis on réalise une attaque chimique de la couche de NiP/PTFE sauce sous les parties qui ne sont plus masquées par la résine positive. La profondeur de gravure dépend de la microstructure et de la mouillabilité recherchées. [0066] Au cours d'une neuvième étape, on rince la roue de sorte à retirer toute la résine positive avec un solvant de retrait. 8 [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4] [Revendication 5] [Revendication 6] [Revendication 7] REVENDICATIONSCouche de protection comprenant du phosphure de nickel et du polytétrafluoroéthylène, la couche de protection étant structurée pour présenter un premier réseau périodique de bosses (2) à la surface desquelles et entre lesquelles un deuxième réseau périodique de bosses (3) est présent, le premier réseau présentant une première période et le deuxième réseau présentant une deuxième période. Couche de protection selon la revendication I. dans laquelle la première période est comprise entre 10 Fun et 20mm et la deuxième période est comprise entre 200 nm et 1.tm. Couche de protection selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, comprenant une couche de phosphure de nickel structurée de sorte à présenter le premier réseau périodique de bosses (2) à la surface desquelles et entre lesquelles le deuxième réseau périodique de bosses (3) est présent, une couche de polytétrafluoroéthylène étant déposée sur la couche structurée de phosphure de nickel. Couche de protection selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, comprenant une couche de phosphure de nickel et de polytétrafluoroéthylène codéposés structurée de sorte à présenter le premier réseau périodique de bosses (2) à la surface desquelles et entre lesquelles le deuxième réseau périodique de bosses (3) est présent. Procédé de fabrication d'une couche de protection selon la revendication 3, dans lequel on réalise les étapes suivantes : on dépose une couche de phosphure de nickel par électrodéposition, on structure la couche de phosphure de nickel par photolithographie et gravure, et on dépose ensuite une couche de polytétrafluoroéthylène en phase vapeur ou par électrodéposition. Procédé de fabrication selon la revendication 5, dans lequel pour réaliser le dépôt d'une couche de phosphure de nickel par électrodéposition, on utilise un bain de nickelage comprenant du phosphore et des particules de talc préalablement traitées par carboxyméthylcellulose afin d'en augmenter la mouillabilité. Procédé de fabrication d'une couche de protection selon la revendication 4, clans lequel on réalise les étapes suivantes : on codépose une couche de phosphure de nickel et de polytétralluo- 9 [Revendication 8] méthylène par électrodéposition, on structure la couche de phosphure de nickel et de polytétratluométhylène par photolithographie et gravure. Roue d'un étage compresseur d'un turbocompresseur pour l'alimentation d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile, muni d'une recirculation partielle de gaz d'échappement, caractérisé par le fait qu'elle comprend une couche de protection, selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, contre l'érosion par les condensats résultant du mélange d'air frais et de gaz d'échappement partiellement recirculé.