Brevet FR3133331A1 — publié le 20230915

Poudre en matériau composite métallique pour projection thermique comprenant une matrice en acier comportant entre 11,5 et 18,5 % en poids de chrome, entre 0 et 0,03 % en poids de carbone, avec d’autres éléments d’addition parmi le nickel, le molybdène, le manganèse, le silicium et le phosphore, des renforts en cuivre ou alliage à base de cuivre, et des renforts en acier ayant une dureté supérieure à 600 Hv. Poudre en matériau composite métallique pour projection thermique et procédé de fabrication d’une première pièce sur une deuxième pièce à partir d’une telle poudre La présente invention concerne, de manière générale, l’assemblage d’une première pièce sur une deuxième pièce, notamment d’un siège de soupape sur une culasse de moteur à combustion pour véhicule automobile, et les propriétés mécaniques, en particulier de résistance à l’usure de la première pièce. Plus particulièrement, l’invention se rapporte à une poudre en matériau composite métallique pour projection thermique, à un procédé de fabrication d’une première pièce sur une deuxième pièce à partir d’une telle poudre et un ensemble de culasse comprenant au moins un siège de soupape pour moteur à combustion de véhicule automobile obtenu à partir d’un tel procédé de fabrication. Dans un moteur à combustion de véhicule automobile, les sièges de soupape sont les pièces sur lesquelles les soupapes d’admission et d’échappement viennent en contact afin de maintenir l’étanchéité de la chambre de combustion. En plus d’une bonne étanchéité, et donc d’une faible porosité, les sièges doivent pouvoir résister thermo-mécaniquement, avoir des propriétés anticorrosion suffisantes face aux gaz interférant avec la chambre de combustion, et surtout être résister en termes d’usure lors des différentes phases du moteur. Classiquement, les sièges de soupape sont réalisés par métallurgie, et composés pour la plupart d’un alliage de fer de type acier inoxydable. Ils sont, par la suite, assemblés à la culasse par frettage à froid. Un frettage trop faible favorise le risque de rotation du siège à l’usinage et donc un désemmanchement du siège de soupape de la culasse, alors qu’un frettage trop fort peut entraîner une déformation de la culasse, des risques de rupture et un mauvais transfert thermique. L’invention a donc pour but de remédier à ces inconvénients et de proposer un assemblage de deux pièces permettant de s’affranchir des problématiques soulevées lors d’un assemblage par frettage, notamment lors de l’emmanchement d’un siège de soupape sur une culasse de moteur à combustion de véhicule automobile. Il est donc proposé un procédé de fabrication d’au moins une première pièce sur une deuxième pièce, comprenant une étape de formation de la première pièce par projection thermique sur la deuxième pièce d’une poudre en matériau composite métallique pour projection thermique comprenant une matrice en acier comportant entre 11,5 et 18,5 % en poids de chrome, entre 0 et 0,03 % en poids de carbone, avec d’autres éléments d’addition parmi le nickel, le molybdène, le manganèse, le silicium et le phosphore, des renforts en cuivre ou alliage à base de cuivre, et des renforts en acier ayant une dureté supérieure à 600 Hv. Former directement la première pièce sur la deuxième permet de s’affranchir des nombreuses problématiques liées à l’assemblage de deux pièces par frettage. La première pièce est directement projetée sur la deuxième pièce et formant ainsi un seul tenant avec cette dernière de sorte que les efforts d’emmanchement qui peuvent fragiliser les deux pièces sont évités. L’invention se rapporte également à une poudre en matériau composite métallique pour projection thermique comprenant une matrice en acier comportant entre 11,5 et 18,5 % en poids de chrome, entre 0 et 0,03 % en poids de carbone, et éventuellement d’autres éléments d’addition comme le nickel, le molybdène, le manganèse, le silicium et le phosphore, des renforts en cuivre ou alliage à base de cuivre, et des renforts en acier ayant une dureté supérieure à 600 Hv. Il a été constaté qu’une telle composition de poudre permet de fabriquer par projection thermique une pièce possédant une résistance élevée à l’usure, notamment particulièrement adaptée aux conditions auxquelles est soumis un siège de soupape lors du fonctionnement d’un moteur à combustion de véhicule automobile. L’invention concerne également un ensemble de culasse pour moteur à combustion de véhicule automobile, comprenant une culasse formant un seul tenant avec au moins un siège de soupape en matériau composite métallique comprenant une matrice en acier comportant entre 11,5 et 18,5 % en poids de chrome, entre 0 et 0,03 % en poids de carbone, et éventuellement d’autres éléments d’addition comme le nickel, le molybdène, le manganèse, le silicium et le phosphore, des renforts en cuivre ou alliage à base de cuivre, et des renforts en acier ayant une dureté supérieure à 600 Hv. L’invention se rapporte aussi à un véhicule automobile comprenant au moins un ensemble de culasse comme décrit précédemment. D’autres caractéristiques, aspects, objets et avantages ressortiront de la description qui va suivre et des exemples suivants, donnés à titre purement illustratif. Dans ce qui va suivre, les bornes d’un domaine de valeurs sont comprises dans ce domaine, notamment dans l’expression « compris entre ». Par ailleurs, l’expression « au moins un » utilisée dans la présente description est équivalente à l’expression « un ou plusieurs ». L’exemple développé ci-après se rapporte à un ensemble de culasse pour moteur à combustion de véhicule automobile. Selon un mode de réalisation, l’ensemble de culasse peut comprendre une culasse en matériau métallique, par exemple en aluminium ou alliage à base d’aluminium. Au moins un siège de soupape est formé par projection thermique sur la culasse d’une poudre en matériau composite métallique. La poudre en matériau composite métallique comprend une matrice en acier comportant entre 11,5 et 18,5 % en poids de chrome, entre 0 et 0,03 % en poids de carbone, avec d’autres éléments d’addition parmi le nickel, le molybdène, le manganèse, le silicium et le phosphore, généralement connu sous la dénomination acier inoxydable 316L, de structure austénitique. L’acier inoxydable 316L est particulièrement adapté pour résister aux conditions de fonctionnement du moteur à combustion de véhicule automobile. De plus, le matériau composite métallique de la poudre comprend des renforts en cuivre ou alliage à base de cuivre. La présence de cuivre améliore les propriétés mécaniques de l’acier inoxydable 316L et empêche notamment l’apparition de fissures sur le siège de soupape obtenu. Selon un exemple, les renforts en cuivre ou alliage à base de cuivre peuvent comporter du cuivre pur ou peuvent consister en du cuivre pur. Selon un autre exemple, les renforts en cuivre ou alliage à base de cuivre peuvent comporter du Cu38Ni. En outre, le matériau composite métallique de la poudre comprend des renforts en acier ayant une dureté supérieure à 600 Hv afin d’augmenter la dureté du matériau composite métallique diminuée par la présence du cuivre ou alliage à base de cuivre et d’améliorer ses propriétés mécaniques incluant sa résistance à l’usure. Selon un mode de réalisation, l’acier des renforts ayant une dureté supérieure à 600 Hv est un acier à outils répondant à la norme NF EN ISO 4957, dont la ténacité et la dureté permettent d’améliorer la résistance à l’usure du matériau composite métallique. Selon un exemple, l’acier à outils peut comprendre entre 5,5 et 6,75 % en poids de tungstène, entre 4,5 et 5,5 % en poids de molybdène, entre 3,75 et 4,5 % en poids de chrome, entre 1,75 et 2,20 % en poids de vanadium, entre 0,8 et 1 % en poids de carbone, entre 0,20 et 0,45 % en poids de silicium, entre 0,15 et 0,4 % en poids de manganèse, entre 0 et 0,03 % en poids de phosphore, entre 0 et 0,03 % en poids de soufre et le reste de fer, généralement connu sous la dénomination acier à outils M2. De préférence, la proportion de l’acier ayant une dureté supérieure à 600Hv est comprise entre 30 et 50% en poids du matériau composite métallique afin d’améliorer les propriétés mécaniques telle que la résistance à l’usure du matériau composite métallique. De plus, la proportion de renforts en cuivre ou alliage à base de cuivre dans le matériau composite métallique est, de préférence, comprise entre 5 et 20% en poids du matériau composite métallique afin d’améliorer les propriétés mécaniques de la matrice en acier inoxydable 316L, tout en conservant l’effet de relaxation des contraintes du cuivre ou alliage à base de cuivre au sein du siège de soupape en présence des renforts en acier ayant une dureté supérieure à 600 Hv tel que l’acier à outils M2. La formation du siège de soupape par projection thermique sur la culasse permet de s’affranchir de tout risque de rotation du siège de soupape ou de sa désolidarisation de la culasse. De plus, la formation directe sur la culasse permet d’éviter tout de risque de déformation de la culasse et risque de rupture du siège de soupape lors de l’assemblage du siège de soupape et de la culasse. Le siège de soupape est directement projeté sur la culasse, formant ainsi un seul tenant avec cette dernière, de sorte que les efforts d’emmanchement lors d’un frettage qui peuvent fragiliser les deux pièces sont évités. L’absence d’effort d’emmanchement permet d’optimiser le design du conduit d’admission du moteur à combustion, améliorer la turbulence du mélange air/essence et ainsi améliorer le rendement de combustion. L’absence d’effort permet aussi de rapprocher les noyaux d’eau d’un circuit de refroidissement pour un refroidissement optimisé du moteur à combustion. De préférence, la projection thermique de la poudre en matériau composite métallique est réalisée par projection dynamique par gaz froid. Par projection dynamique par gaz froid, on entend un procédé de métallisation, plus communément appelé « Cold Spray coating » dans lequel un gaz est accéléré à des vitesses supersoniques dans une buse du type « De Laval ». La poudre de matériau composite métallique est introduite dans une partie haute pression de la buse et projetée vers le substrat, qui dans cet exemple est la culasse. Au-dessus d’une certaine vitesse, qui est caractéristique pour chaque couple matériau projeté/substrat, les particules forment à l’impact un revêtement dense et très adhérent. Pour cela, les particules doivent subir une déformation plastique. Le gaz de propulsion est chauffé. Lorsque sa température augmente, la vitesse du gaz croît, ce qui accélère les particules. L’augmentation relative de la température des particules de la poudre participe à leur déformation au point d’impact. La projection par projection dynamique à gaz froid conduit à une microstructure homogène du matériau composite métallique avec un taux de porosité bas et un ancrage important sur la culasse. L’absence d’interstice entre le siège de soupape et la culasse permet un contact surfacique total assurant une continuité métal-métal optimisée, ce qui permet de garantir l’étanchéité et améliorer le transfert thermique entre le siège de soupape et la culasse. De plus, la formation du siège de soupape par projection dynamique à gaz froid permet de réduire significativement son épaisseur et, par conséquent, leur poids. Dans l’exemple illustré, la première pièce est un siège de soupape formé sur une deuxième pièce formée par la culasse. L’invention ne se limite pas à la formation d’un siège de soupape sur une culasse. On pourra prévoir que les première et deuxième pièces soit tout autre pièce du domaine automobile, ou encore des pièces destinées à l’aéronautique. Exemple 1 Matrice métallique en acier inoxydable 316L Le matériau de la matrice métallique est un acier de structure austénitique, connu sous la dénomination d’acier inoxydable 316L, d’une dureté comprise entre 195 et 430 HV, et comprenant 17,7 % en poids de chrome, 10,3 % en poids de nickel, 2,4 % en poids de molybdène, 0,9 % en poids de manganèse, entre 0 et 1 % en poids de silicium, 0,04 % en poids de phosphore, 0,03 % en poids de carbone, 0,03 % en poids de soufre et le reste de fer. La matrice se présentent sous forme de poudre sphérique ayant une granulométrie moyenne de 32±10 µm. Renforts métalliques en acier à outils M2 Le matériau des renforts métalliques est un acier à outils connu sous la dénomination d’acier à outils M2, et comprend 6,3 % en poids de tungstène, 4,8 % en poids de molybdène, 4,3 % en poids de chrome, 2 % en poids de vanadium, 0,9 % en poids de carbone, 0,3 % en poids de silicium, 0,3 % en poids de manganèse, 0,02 % en poids de phosphore, 0,01 % en poids de soufre et le reste de fer. La dureté de l’acier à outils M2 est d’environ 719 Hv 0,01 . Les renforts en acier à outils M2 se présentent sous forme de poudre sphérique ayant une granulométrie moyenne de 32±10 µm. Renforts métalliques en Cu Les renforts en Cu pur se présentent sous forme de poudre sphérique ayant une granulométrie moyenne de 45±15 µm. Matériau composite métallique La poudre en matériau composite métallique comprend 60% en poids de matrice en acier inoxydable 316L, 30% en poids de renforts en acier à outils M2, et 10% en poids de renforts en Cu. La poudre est projetée sur une culasse en alliage à base d’aluminium par projection dynamique par gaz froid jusqu’à formation des sièges de soupape de la culasse. Les propriétés de résistance mécanique, notamment face à l’usure, des sièges de soupape obtenus sont optimisées. Poudre en matériau composite métallique pour projection thermique comprenant une matrice en acier comportant entre 11,5 et 18,5 % en poids de chrome, entre 0 et 0,03 % en poids de carbone, avec d’autres éléments d’addition parmi le nickel, le molybdène, le manganèse, le silicium et le phosphore, des renforts en cuivre ou alliage à base de cuivre, et des renforts en acier ayant une dureté supérieure à 600 Hv. Poudre selon la revendication 1, dans laquelle l’acier des renforts ayant une dureté supérieure à 600 Hv comprend entre 5,5 et 6,75 % en poids de tungstène, entre 4,5 et 5,5 % en poids de molybdène, entre 3,75 et 4,5 % en poids de chrome, entre 1,75 et 2,20 % en poids de vanadium, entre 0,8 et 1 % en poids de carbone, entre 0,20 et 0,45 % en poids de silicium, entre 0,15 et 0,4 % en poids de manganèse, entre 0 et 0,03 % en poids de phosphore, entre 0 et 0,03 % en poids de soufre et le reste de fer. Poudre selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle les renforts en cuivre ou alliage à base de cuivre comportent du cuivre pur. Poudre selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant de 30 à 50% en poids de renforts en acier ayant une dureté supérieure à 600 Hv, de 5 à 20% en poids de renforts en cuivre ou alliage à base de cuivre, et le reste de ladite matrice en acier. Procédé de fabrication d’au moins une première pièce sur une deuxième pièce, comprenant une étape de formation de la première pièce par projection thermique d’une poudre en matériau composite métallique selon l’une quelconque des revendications précédentes sur la deuxième pièce. Procédé de fabrication selon la revendication 5, dans lequel la projection thermique de la poudre en matériau composite métallique sur la deuxième pièce est réalisée par projection dynamique par gaz froid. Procédé de fabrication selon la revendication 5 ou 6, dans lequel la deuxième pièce est une culasse de moteur à combustion de véhicule automobile, ladite étape de formation de la première pièce comprenant la formation d’au moins un siège de soupape sur ladite culasse. Ensemble de culasse pour moteur à combustion de véhicule automobile, comprenant une culasse formant un seul tenant avec au moins un siège de soupape en matériau composite métallique comprenant une matrice en acier comportant entre 11,5 et 18,5 % en poids de chrome, entre 0 et 0,03 % en poids de carbone, avec d’autres éléments d’addition parmi le nickel, le molybdène, le manganèse, le silicium et le phosphore, des renforts en cuivre ou alliage à base de cuivre, et des renforts en acier ayant une dureté supérieure à 600 Hv. Ensemble de culasse selon la revendication 8, dans lequel l’acier des renforts ayant une dureté supérieure à 600 Hv comprend entre 5,5 et 6,75 % en poids de tungstène, entre 4,5 et 5,5 % en poids de molybdène, entre 3,75 et 4,5 % en poids de chrome, entre 1,75 et 2,20 % en poids de vanadium, entre 0,8 et 1 % en poids de carbone, entre 0,20 et 0,45 % en poids de silicium, entre 0,15 et 0,4 % en poids de manganèse, entre 0 et 0,03 % en poids de phosphore, entre 0 et 0,03 % en poids de soufre et le reste de fer. Ensemble de culasse selon la revendication 8 ou 9, dans lequel les renforts en cuivre ou alliage à base de cuivre comportent du cuivre pur. Ensemble de culasse selon l’une quelconque des revendications 8 à 10, dans lequel le matériau composite métallique du siège de soupape comprend de 30 à 50% en poids de renforts en acier ayant une dureté supérieure à 600 Hv, de 5 à 20% en poids de renforts en cuivre ou alliage à base de cuivre, et le reste de ladite matrice en acier. Véhicule automobile comprenant au moins un ensemble de culasse selon l’une quelconque des revendications 8 à 11.