BR112019008738A2

BR112019008738A2 - procedimento de melhoria da molhagem da superfície de um substrato sólido por um metal líquido

Info

Publication number: BR112019008738A2
Application number: BR112019008738A
Authority: BR
Inventors: Taina Fabio; Achard Jean-Louis
Original assignee: Constellium Issoire
Priority date: 2016-12-12
Filing date: 2017-12-06
Publication date: 2019-09-17
Also published as: EP3551326A1; CN110049813A; FR3057180A1; KR20190096361A; US20210087666A1; CN110049813B; US11525178B2; FR3057180B1; WO2018109319A1; CA3041810A1

Abstract

a invenção é um procedimento de tratamento de um substrato sólido, realizado com um primeiro material de tipo metal ou cerâmica, o procedimento compreendendo a colocação em contato do substrato com um metal líquido enquanto o substrato é exposto a uma onda ultrassônica, chamada onda de potência. no nível de uma superfície do substrato, a densidade da superfície da potência é superior a um limite de cavitação do metal líquido. essa exposição melhora a molhabilidade da superfície do substrato pelo metal líquido.

Description

“PROCEDIMENTO DE MELHORIA DA MOLHAGEM DA SUPERFÍCIE

DE UM SUBSTRATO SÓLIDO POR UM METAL LÍQUIDO”

RELATÓRIO DESCRITIVO

DOMÍNIO TÉCNICO [001] O domínio técnico da invenção é a modificação das propriedades da molhagem da superfície de um material em relação a um metal líquido, sob o efeito da exposição a ondas ultrassônicas de forte potência.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO [002] Em algumas aplicações, é necessário formar uma camada de um metal, chamado metal de revestimento, sobre um substrato. Ê, por exemplo, o caso dos fios de alumínio destinados a serem usados como condutores de eletricidade. A baixa massa desses fios os torna particularmente adaptados a usos na indústria automobilística ou aeronáutica. Por causa da formação de uma camada de óxido isolante na superfície, os fios de alumínio apresentam uma resistência elevada de superfície, o que pode prejudicar a obtenção de conexões elétricas de qualidade. Quando a seção dos fios for grande, um revestimento com uma camada de níquel foi descrito na patente FR2796656. O método objeto desta patente é operacional para fios de aproximadamente 0,5 cm de diâmetro, mas ele não é satisfatório com fios de diâmetro menor, por exemplo, de 0,2 mm, por ser muito lento. Tratamentos químicos ou eletroquímicos de superfícies estão sendo desenvolvidos, de forma a melhorar a adesão de um metal de revestimento do tipo de estanho ou tungstênio sobre um fio de alumínio.

[003] Os inventores demonstraram que um outro método permite obter uma boa adesão de um metal de revestimento na fase líquida, sobre um substrato, por exemplo, um substrato de alumínio. Eles mostraram que a molhabilidade de um substrato pode ser aumentada por um procedimento fácil de ser

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2/20 realizado e que é compatível com aplicações industriais. Eles também constataram que o aumento da molhabilidade pode ser aproveitada em outras aplicações, além da aplicação de um revestimento metálico sobre um substrato.

APRESENTAÇÃO DA INVENÇÃO [004] Um objeto da invenção é um procedimento de tratamento de um substrato sólido, compreendendo as seguintes etapas:

a) colocação de um substrato sólido em contato com um metal líquido confinado em uma câmara;

b) propagação de uma onda ultrassônica, chamada onda de potência, emitida por um dispositivo gerador de ultrassons de potência no metal líquido, a onda ultrassônica se propaga no metal líquido antes de atingir a superfície de um substrato sólido, de forma que, na superfície do substrato sólido, a densidade de potência da onda ultrassônica de potência seja superior a um limite de cavitação do metal líquido, a frequência da onda ultrassônica de potência esteja compreendida entre 10 kHz e 250 kHz;

c) após a propagação da onda ultrassônica de potência, da obtenção de bolhas de cavitação no metal líquido, as bolhas de cavitação atingem a superfície do substrato líquido, a interação das bolhas de cavitação com a superfície do substrato sólido aumenta a molhabilidade desta superfície pelo metal líquido.

[005] Por limite de cavitação, entende-se uma densidade de potência da onda ultrassônica de potência além da qual bolhas de cavitação se formam no metal líquido. Pode tratar-se de uma densidade volumétrica de potência ou de uma densidade de superfície de potência. Em geral, na etapa b), a densidade de superfície é superior a 1 W/cm², até mesmo a 5 ou 10 W/cm².

[006] O substrato sólido é formado por um primeiro material, cuja

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3/20 temperatura de fusão é superior à do metal líquido.

[007] Segundo um modo de realização preferencial, a frequência da onda ultrassônica de potência é superior a 40 kHz e, preferencialmente, entre 40 kHz e 80 kHz. Isso permite aumentar a molhabilidade da superfície do substrato sólido por um metal líquido sem degradar a condição da superfície do substrato sólido.

[008] Favoravelmente, durante a etapa c), a onda acústica de potência se propaga no metal líquido no interior da câmara, a uma distância de propagação superior a 1 cm e, preferencialmente, superior a 5 cm.

[009] A onda ultrassônica de potência pode, em especial, se propagar a partir do gerador de potência e atravessar uma superfície, chamada superfície de interface, que se estende até o contato com o metal líquido, o procedimento compreende uma formação de bolhas de cavitação no interior de um cone, chamado cone de hipercavitação, no qual a densidade das bolhas de cavitação é mais elevada do que no exterior do cone, o cone de hipercavitação se estendendo no metal líquido a partir da superfície de interface, o procedimento é tal que, na etapa c), o substrato sólido é colocado na parte externa do cone de hipercavitação. A superfície de interface pode notadamente ser uma parede sólida a través da qual a onda ultrassônica de potência se propaga. Pode tratar-se de uma parte da parede da câmara ou de uma parede que delimita uma guia de onda através da qual a onda acústica de potência se propaga.

[0010] De acordo com um modo de realização, o substrato sólido pode ser um substrato metálico ou de cerâmica; o procedimento então deve seguir estas etapas complementares:

d) exposição do substrato à onda ultrassônica de potência durante um tempo de exposição, de preferência entre 1 segundo e 1 minuto, o metal líquido formando uma camada, chamada camada de revestimento sobre o substrato;

e) retirada do substrato da câmara;

f) após a remoção, ocorre a solidificação do metal líquido, de modo a formar um sedimento sobre o substrato.

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4/20 [0011] Segundo o modo de realização, o substrato pode ser metálico, o metal que compõe o substrato tendo uma temperatura de fusão estritamente superior à do metal líquido. O metal líquido pode ser um metal condutor de eletricidade, de modo que o sedimento formado durante a etapa f) é um sedimento condutor de eletricidade. O metal líquido pode notadamente conter estanho, zinco ou chumbo. A espessura do sedimento formado na etapa f) é, preferencialmente, entre 5 pm e 2 mm.

[0012] Segundo um modo de realização, o metal líquido contém alumínio. Ele pode então conter magnésio, a fração mássica do magnésio sendo, de preferência, inferior a 1%.

[0013] Segundo um modo de realização:

- um dispositivo ultrassônico de controle propaga uma onda ultrassônica, chamada onda de controle, no metal líquido, através de uma superfície, chamada superfície de acoplamento, a superfície de acoplamento sendo uma superfície do substrato sólido que se estende até o contato com o metal líquido;

o substrato sólido é delimitado pela chamada superfície de acoplamento;

de tal forma que, durante a etapa c), a molhabilidade da superfície do substrato sólido pelo metal líquido é aumentada de modo a melhorar a transmissão da onda ultrassônica de controle no metal líquido através da superfície de acoplamento. A densidade de potência da onda ultrassônica de controle no metal líquido é geralmente inferior ao limite de cavitação.

[0014] O dispositivo ultrassônico de controle pode ser colocado fora da câmara, a superfície de acoplamento correspondendo então a uma interface entre a câmara e o metal líquido através da qual a onda ultrassônica de controle se propaga, o substrato sólido sendo formado por uma parte da câmara delimitada pela superfície de acoplamento.

[0015] O dispositivo ultrassônico de controle pode ser confinado em um recipiente de confinamento, o recipiente de confinamento é mergulhado no

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5/20 metal líquido, a superfície de acoplamento correspondendo a uma interface do recipiente de confinamento contendo o metal líquido, através do qual a onda ultrassônica de controle se propaga, o substrato sólido sendo formado por uma parte do recipiente de confinamento delimitado pela superfície de acoplamento.

[0016] Segundo esse modo de realização, a câmara pode ser o tanque de um reator nuclear, o metal líquido contendo sódio ou chumbo.

[0017] Outras vantagens e características serão mais claramente evidenciadas na descrição que virá a seguir, de modos especiais de realização, fornecidos como exemplos sem restrições e representados nas figuras listadas abaixo.

FIGURAS [0018] A figura IA representa um primeiro modo de realização da intervenção. A figura 1B representa um segundo modo de realização da intervenção. A figura 1C representa um detalhe da figura IA. A figura 1D representa um detalhe da figura 1B.

[0019] As figuras 2A e 2B mostram uma vista segundo um corte transversal de um fio em liga de alumínio que foi mergulhado em um banho de estanho líquido, respectivamente sem e com a execução da invenção. A figura 2C representa uma vista de detalhe da figura 2B. As figuras 2D e 2E mostram uma vista segundo um corte longitudinal de um fio em liga de alumínio que foi mergulhado em um banho de estanho líquido executando a invenção. A figura 2E é um detalhe da figura 2D.

[0020] A figura 3A é uma observação no microscópio eletrônico de varredura de um corte transversal de um fio de alumínio ao qual foi aplicado um procedimento seguindo a invenção. A figura 3B representa um detalhe da figura 3A. As figuras 3C, 3D, 3E e 3F são espectros de fluorescência X que correspondem a diferentes pontos de análise da figura 3B.

[0021] A figura 4A é uma observação no microscópio eletrônico de varredura de um corte longitudinal de um fio de alumínio ao qual foi aplicado um

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6/20 procedimento seguindo a invenção. A figura 4B representa uma região de interesse da figura 4A. As figuras 4C, 4D, 4E e 4F são espectros de fluorescência X que correspondem a diferentes pontos de análise da figura 4B. [0022] A figura 5A é uma observação no microscópio eletrônico de varredura de um corte transversal de uma placa de alumínio à qual foi aplicado um procedimento seguindo a invenção. As figuras 5B e 5C representam duas regiões de interesse da figura 5A. As figuras 5D, 5E, 5F são espectros de fluorescência X que correspondem a diferentes pontos de análise da figura 5B. As figuras 5G e 5 H são espectros de fluorescência X que correspondem a diferentes pontos de análise da figura 50.

[0023] As figuras 6A e 6B são exemplos de execução da invenção segundo a primeira aplicação, de modo a formar um sedimento metálico sobre um substrato.

[0024] As figuras 7A e 7C esquematizam dois exemplos de uso da invenção de acordo com uma segunda aplicação relativa ao controle não destrutivo do tanque de um reator nuclear. As figuras 7B e 7D são detalhes das figuras 7A e 7C respectivamente.

APRESENTAÇÃO DE MODOS DE REALIZAÇÃO ESPECIAIS [0025] O recurso a ultrassons é normal em diferentes aplicações industriais: em potência forte, os ultrassons podem, por exemplo, ser usados em aplicações de limpeza. Em potência fraca, são geralmente usados para aplicações de controle não destrutivo em materiais ou estruturas.

[0026] A invenção se baseia no uso vantajoso de ultrassons de potência para aumentar a molhabilidade da superfície de um substrato sólido por um metal líquido. De fato, os inventores constaram que a aplicação de uma onda ultrassônica de forte potência em um substrato metálico, ou em cerâmica, mergulhado em um banho formado por um metal líquido, permite aumentar a molhabilidade da superfície do substrato pelo metal líquido.

[0027] De acordo com a primeira aplicação, a invenção é usada para depositar uma camada de um metal sobre um substrato. Um primeiro modo de

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7/20 realização está representado na figura IA. Um substrato sólido 21, formado por um primeiro material, por exemplo, uma liga de alumínio, ou por uma cerâmica, é mergulhado em um banho de um segundo metal 22 em estado líquido. Neste exemplo, o metal líquido é estanho. O banho de metal líquido está dentro de um recipiente que forma uma câmara 20. Neste exemplo, a massa do metal líquido 22 é de 5 Kg, o banho é levado a uma temperatura de 350 °C. A temperatura de fusão do metal líquido deve ser estritamente inferior à temperatura de fusão do primeiro material que forma o substrato.

[0028] Um dispositivo gerador de ultrassons 10, mencionado como gerador de potência (ou motor de ultrassons), é colocado na proximidade da câmara 20, um guia de onda 12 se estende entre o gerador de ultrassons 10 e o banho de metal líquido 22. O guia de onda 12 mergulha no metal líquido 22 e permite a propagação de uma onda ultrassônica 11 emitida pelo gerador de ultrassons 10 no metal líquido 22. O gerador de ultrassons 10 é, por exemplo, um transdutor piezoelétrico, capaz de se deformar quando é submetido a uma polarização elétrica alternativa, a deformação estando na origem da onda acústica ultrassônica 11. A onda ultrassônica 11 se propaga no guia de onda 12.0 guia de onda pode ser composto por um metal, por exemplo, à base de titânio, ou por uma cerâmica rígida.

[0029] A onda ultrassônica 11 emitida pelo gerador 10 é uma onda de potência elevada. Por potência elevada, entende-se uma onda entre 10 W e 200 W ou mais, de forma que a densidade de potência no nível do substrato 21 seja superior a um limite de cavitação do metal líquido 22. O limite de cavitação deve ser expresso de acordo com uma densidade de superfície de potência, que, no caso, é superior a 1 W/cm², até 5 W/cm², até mesmo superior a 10 W/cm², em função do metal líquido 22 e da temperatura. Também, de preferência, a potência da onda ultrassônica 11 é ajustada de modo a se obter uma densidade de superfície de potência sobre toda, ou em parte, da superfície do substrato sólido, superior ao limite de cavitação do metal líquido 22.

[0030] O surgimento de uma cavitação em um meio líquido provoca ondas

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8/20 acústicas, cuja detecção que permite detectar a ocorrência da chamada cavitação. O limite de cavitação em um metal líquido pode ser determinado experimentalmente por métodos baseados na detecção dessas ondas acústicas. Os documentos FR2404850 ou EP0221796 fornecem exemplos. Um método óptico de detecção de cavitação também está descrito no documento W02006034040.

[0031] Os inventores constataram que a formação e a propagação das bolhas de cavitação na interface entre o substrato 21 e o metal líquido 22 são capazes de melhorar a molhabilidade do substrato 21 pelo metal líquido 22. Esse efeito é atribuído à interação das bolhas de cavitação em contato com a superfície do substrato 21, ou nas proximidades dela e, notadamente, à implosão das bolhas de cavitação. Isso leva a uma redução da tensão da superfície no nível da interface entre o substrato 21 e o metal líquido 22. O que aumenta a molhabilidade da superfície do substrato 21 pelo metal líquido 22. Também foi observado que, quando o substrato tem uma camada de óxido, a cavitação formada na interface do substrato e do metal líquido permite reduzir ou eliminar a camada de óxido, o que facilita uma ligação direta entre o substrato 21 e o metal líquido 22. Quando a frequência da onda ultrassônica de potência 11 diminui, o impacto das bolhas de cavitação sobre o substrato forma cavidades 27 na superfície do substrato, sob o efeito da dissolução local do substrato. As cavidades 27 podem ter uma profundidade de algumas dezenas de microns, até mesmo de algumas centenas de microns em relação à superfície do substrato. A formação dessas cavidades pode degradar a condição da superfície do substrato.

[0032] Em consequência do aumento da molhabilidade da superfície do substrato 21 pelo metal líquido 22, uma camada 25 de metal líquido, chamada camada de revestimento, se forma sobre o substrato. Ao retirar o substrato 21 do banho de metal líquido, a camada de revestimento 25 permanece ao redor do substrato 21. Ela esfria e se solidifica, formando um sedimento sólido durável com o decorrer do tempo.

[0033] A frequência da onda ultrassônica, chamada onda de potência, deve

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9/20 ser, de preferência, entre 10 kHz e 250 kHz e, de preferência, entre 10 e 100 kHz. Considera-se que, quanto mais elevada for a frequência, tanto menos importante será o efeito das bolhas de cavitação na superfície do substrato, reduzindo a formação de cavidades 27. De fato, quando a frequência aumenta, o tamanho das bolhas de cavitação diminui. De preferência, a frequência da onda ultrassônica de potência 11 é ajustada de forma a limitar, até mesmo a evitar, o surgimento dessas cavidades, de forma a preservar a condição da superfície do substrato.

[0034] Assim, é vantajoso que a frequência da onda ultrassônica 11 seja superior a 20 kHz e, de preferência, superior a 40 kHz. A faixa 40 kHz - 80 KHz é considerada ideal, de modo que o efeito das bolhas de cavitação sobre o substrato 21 seja superficial, sem formação de cavidades.

[0035] Como representado nas figuras IA a ID, a onda ultrassônica 11 emitida pelo gerador 10 se propaga em direção à câmara 20, atravessando uma superfície 13, chamada superfície de interface, se estendendo até o contato com o metal líquido 22, através da qual a onda ultrassônica 11 se propaga para alcançar o metal líquido 22. No exemplo das figuras IA e 1C, a onda ultrassônica 11 é propagada até o metal líquido 22 por um guia de onda 12, uma extremidade proximal dela é colocada em contato com o gerador e cuja extremidade distai mergulha no metal líquido 22. Nesse caso, a superfície de interface 13 corresponde à extremidade distal do guia de onda 12 que se estende ortogonalmente à direção de propagação da onda ultrassônica 11. No exemplo das figuras IB e ID, a superfície de interface 13 é a parede da câmara 20, se estende em contato com o metal líquido e é colocada entre o gerador de potência 10 e o metal líquido. De modo geral, a superfície da interface 13 é uma superfície em contato com o metal líquido 22, através da qual a onda ultrassônica de potência 11 se propaga. Pode tratar-se de uma parede sólida, neste caso, uma parede do guia de onda ou uma parede da câmara. Quando a potência da onda ultrassônica 11 for muito elevada, as bolhas de cavitação podem se organizar nas proximidades da superfície da interface 13, formando um volume cônico 15, cuja base fica fina em função da distância em relação

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10/20 à superfície da interface. A formação dessas bolhas de cavitação no interior de um cone está, por exemplo, descrita na publicação Dubus B. Génération d'ondes de chocs et focalisation à courte distance dans le champ de cavitation ultrasonore à basse frequence (Geração de ondas de choque e foco no campo de cavitação ultrassônica de baixa frequência), 10° congresso francês sobre acústica, Lyon, 12-16 de abril de 2010. No interior desse cone, chamado cone de hipercavitação, a densidade volumétrica das bolhas de cavitação é mais elevada na parte externa do cone do que no resto da câmara. Essas bolhas de cavitação se devem essencialmente a germes de cavitação presentes no nível da superfície da interface 13.

[0036] Ê preferível evitar uma exposição excessiva do substrato 21 à alta densidade volumétrica das bolhas de cavitação no interior do cone de hipercavitação 15, pois isso podería provocar a degradação da condição da superfície do substrato. Assim, o substrato 21 deve ser colocado, de preferência, a uma distância suficiente da superfície da interface 13, e fora do cone de hipercavitação 15, se houver um. Dessa forma, a onda ultrassônica de potência 11 se propaga no metal líquido 22, a uma distância de propagação superior a 1 cm, até mesmo de 5 cm, antes de atingir o substrato 21. Isso permite evitar que o substrato 21 interaja com as bolhas de cavitação formadas nas proximidades da superfície de interface 13 ou no cone de hipercavitação 15.

[0037] As figuras IB e 1D representam um modo de realização segundo o qual o dispositivo gerador de ultrassons de potência 10 é acoplado a um guia de onda 12, este último, se estendendo entre o gerador de ultrassons 10 e a câmara 20. Assim, o guia de onda não mergulha no metal líquido 22, mas transmite a onda ultrassônica 11 através de uma parede da câmara 20. Segundo uma variante, o gerador de ultrassons 10 pode ser colocado diretamente contra a câmara 20, sem que o guia de onda 12 se estenda entre o gerador e a câmara. Em uma configuração desse tipo, a superfície de interface 13 corresponde a uma parede da câmara 20 em contato com o metal líquido 22 e através da qual a onda ultrassônica de potência 11 se propaga. A

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11/20 figura ID representa a formação de um cone de hipercavitação 15 que se estende no metal líquido 22 a partir da superfície de interface 13.

[0038] Independentemente do modo de realização, o tempo de exposição do substrato 21 à onda ultrassônica 11 é entre 1 segundo e alguns minutos. Preferencialmente entre 1 segundo e 30 segundos.

ENSAIOS EXPERIMENTAIS [0039] O dispositivo representado na figura IA foi usado para realizar ensaios experimentais. O substrato usado no início foi um fio de liga de alumínio do tipo 5XXX entre 1,5 e 2 mm de diâmetro. O metal líquido 22 consistia em estanho aquecido a uma temperatura de 350 °C. O substrato foi mergulhado na câmara 20 por um tempo entre 5 e 10 segundos. O substrato 21 não passou por um pré-tratamento, como limpeza, desengorduramento ou decapagem antes de ser mergulhado na câmara 20. A superfície do fio tinha uma fina camada de alumina (óxido de alumínio). Durante um primeiro ensaio controlado, o substrato foi mergulhado na câmara e retirado em seguida sem ter sido exposto a uma onda ultrassônica. A figura 2A representa um corte atravessado do fio, ou seja, um corte transversal. O estanho não molha o substrato e quando o substrato é retirado da câmara não permanece nenhum sedimento de estanho no nível da superfície do substrato.

[0040] Em seguida, realizamos um segundo ensaio, durante o qual um fio de liga de alumínio 5XXX de 1,5 mm de diâmetro foi mergulhado em um banho de estanho líquido. Os parâmetros experimentais são os seguintes:

guia de onda : Titânio TA6V - comprimento 375 mm - diâmetro 30 mm; frequência da onda ultrassônica: 20 kHz distância entre o guia de onda e o substrato: 10 cm [0041] Após a exposição à onda ultrassônica 11, o substrato 21 foi retirado do metal líquido e resfriado em seguida.

[0042] A figura 2B representa uma observação no microscópio óptico de um corte do substrato no sentido transversal. Percebemos a presença de uma

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12/20 camada de estanho 25 formando um sedimento ao redor do substrato 21. A figura 2C representa um detalhe da figura 2B. Ela permite observar que a camada de estanho 25 se estende em toda a volta do substrato 21, em uma espessura entre 5 e 30 pm.

[0043] A figura 2D representa um corte do substrato 21 no sentido do comprimento (ou seja, um corte longitudinal). A figura 2E mostra um detalhe da figura 2D. Podemos observar que a camada de estanho 25 se estende em todo o comprimento do campo de observação, em uma espessura entre 5 pm e 30 pm.

[0044] Em um terceiro ensaio, o substrato usado foi uma chapa de alumínio de 2,5 mm de espessura. A formação de uma camada de estanho sobre a chapa de alumínio também pôde ser observada, a espessura da camada era entre 10 e 50 pm.

[0045] A figura 3A representa uma observação no microscópio eletrônico de varredura usando uma fonte de efeito de raio X de campo abrangente, um corte transversal de um fio de liga de alumínio 1XXX de 1 mm de diâmetro. O fio foi mergulhado em um banho de estanho líquido aquecido a 260 °C e exposto a uma onda ultrassônica 11 na frequência de 20 kHz, de acordo com o modo de realização representado na figura IA. A potência da onda foi de 100 W. Podemos observar uma camada 25 de estanho depositada em toda a volta do substrato 21. Na figura 3A, delimitamos uma região de interesse A, que foi o objeto da figura 3B. Nessa região de interesse, identificamos quatro pontos de análise nos quais realizamos uma análise por espectrometria de fluorescência X. As figuras 30, 3D, 3E e 3F são espectros que correspondem respectivamente aos pontos de análise Al, A2, A3 e A4 traçados na figura 3B. Em cada espectro, as energias correspondentes a elementos pesquisados estão marcadas por barras verticais. A figura 3C corresponde à camada de revestimento de estanho 25 e confirma o fato de que esta camada é formada pelo metal líquido, neste caso, o estanho. A figura 3D corresponde ao ponto A2, localizado profundamente no substrato 21. Obtivemos um espectro representativo da liga de alumínio. A figura 3E corresponde ao ponto A3 e

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13/20 revela a presença de óxido de alumínio. Observamos que, no nível do ponto A3, a camada de revestimento 25 não parece molhar diretamente o substrato 21, mas uma camada de óxido 26 residual. A figura 3F corresponde ao ponto A4, localizado na interface entre o substrato 21 e a camada de revestimento 25.0 espectro reflete um teor predominante de alumínio com um vestígio de estanho. Assim, nesse local, a camada de óxido foi eliminada, o metal líquido 22 tendo molhado diretamente o substrato 21. A cavitação parece ter o efeito de reduzir progressivamente, ou de eliminar, a camada de óxido 26 ao redor do substrato. Quando ela a elimina (ponto A4), obtém-se uma adesão da camada de revestimento 25 diretamente sobre o substrato 21. Quando ela não consegue eliminá-la totalmente (ponto A3), uma camada de óxido 26 permanece entre a camada de revestimento 25 e o substrato 21, e a continuidade elétrica entre o substrato 21 e a camada de revestimento 25 não é garantida. Essa continuidade elétrica é particularmente pesquisada, por exemplo, no caso de um sedimento para aplicação em conexão elétrica. Para esse tipo de aplicação, procuramos então eliminar a camada de óxido.

[0046] A figura 4A mostra uma observação no microscópio eletrônico de varredura usando uma fonte de efeito de raio X de campo abrangente, no sentido longitudinal, de um fio que foi submetido a um tratamento similar ao do fio, conforme descrito no texto correspondente às figuras 3A a 3F, aumentando a potência da onda ultrassônica 11 aplicada. Observamos uma camada de revestimento 25 de estanho em toda a volta do substrato 21, com uma espessura de cerca de 10 pm. Observamos também que a camada de revestimento 25 penetra localmente no interior do substrato, nas cavidades 27 cuja profundidade pode ultrapassar 100 pm ou 200 pm. Assim, o metal líquido 22 penetra localmente no substrato 21, as cavidades 27 formando poros abertos. Na figura 4A, delimitamos uma região de interesse correspondente a uma cavidade 27 e que é objeto da figura 4B. Nessa região de interesse, identificamos quatro pontos de análise que foram objeto de uma análise por espectrometria de fluorescência X. As figuras 4C, 4D, 4E e 4F são espectros que correspondem respectivamente aos pontos de análise Bl, B2,

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B3 e B4 traçados na figura 4B. O ponto BI (figura 4C) corresponde a um resíduo local de alumínio. Esse resíduo foi colocado em uma cavidade 27 de 200 pm de profundidade e esta cavidade foi preenchida com estanho. O ponto B2 (figura 4D) representa uma inclusão de cobre no substrato. O ponto B3 (figura 4E) corresponde ao material do substrato, no caso, liga de alumínio. Quanto ao ponto B4 (figura 4F), ele representa o material presente na cavidade 27, neste caso, o estanho.

[0047] A figura 5A mostra uma observação no microscópio eletrônico de varredura usando uma fonte de efeito de raio X de campo abrangente, no sentido longitudinal, de um substrato 21 na forma de uma chapa de alumínio de 2,5 mm de espessura, que foi submetida a um tratamento similar ao do fio, conforme descrito no texto correspondente às figuras 4A a 4F. Observamos a presença de uma camada de revestimento 25 de estanho em ambos os lados do substrato 21. Uma cavidade 27 também pode ser vista. Na figura 5A, delimitamos duas regiões de interesse C e D, que foram respectivamente objeto das figuras 5B e 5C. A região de interesse C corresponde a uma cavidade 27, que se estende a uma profundidade de aproximadamente 250 pm em relação à superfície da chapa. As figuras 5A, 5B, 5C são espectros de fluorescência X que correspondem respectivamente aos pontos de análise C1, C2 e C3 traçados na figura 5B. O ponto Cl (figura 5D) corresponde ao material que forma o substrato 21, no caso, a liga de alumínio. O ponto C2 (figura 5E) representa o material que preenche a cavidade 27, neste caso, o estanho. O ponto C3 (figura 5F) corresponde à interface entre o substrato 21 e a cavidade 27, com predominância de alumínio e vestígios de estanho. Dessa forma, na cavidade 27, o estanho molha diretamente o alumínio.

[0048] As figuras 5G e 5H são espectros de fluorescência X que correspondem respectivamente aos pontos de análise Die D2 traçados na figura 5B. Esses pontos de análise estão localizados na interface entre o substrato 21 e a camada de revestimento de estanho 25. Observamos, no nível do ponto Dl (figura 5G), um vestígio residual de óxido de alumínio (pico de oxigênio de amplitude elevada), enquanto no nível do ponto D2 (figura 5H), o espectro é

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15/20 representativo da liga de alumínio. Nesse local, a camada de óxido foi eliminada, permitindo uma molhagem do substrato diretamente pelo estanho. [0049] Os ensaios experimentais comprovam que a formação da camada de revestimento 25 se forma após a destruição parcial ou total da camada de óxido 26 pelas bolhas de cavitação. Quando a potência aumenta, (ou a frequência diminui), cavidades 27 se formam na superfície do substrato, com um profundidade superior a 50 pm, podendo ultrapassar 200 pm. Essas cavidades podem levar a uma degradação da condição da superfície do substrato 21.

[0050] Nos exemplos anteriores, o substrato 21 é metálico e é formado por um metal. Ensaios foram realizados em substratos feitos de um primeiro material não metálico e foram bem-sucedidos. A tabela abaixo resume as diferentes configurações testadas.

Primeiro material (substrato)	Metal líquido
Alumínio	Estanho
Cerâmica de SiAlON	Estanho
Titânio	Estanho
Cerâmica de SiAlON	Estanho
Aço	Alumínio
Cerâmica de SiAlON	Alumínio
Alumina	Alumínio
Aço	Alumínio
Titânio	Alumínio
Grafite	Alumínio

Tabela 1: Configurações testadas para a primeiro aplicação [0051] A cerâmica SiAlON mencionada na tabela 1 é uma cerâmica conhecida das pessoas especializadas no assunto, e denominada pelo termo nitreto de silício e alumínio [0052] Quando o metal líquido é o alumínio, ele pode vantajosamente conter

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16/20 magnésio, a uma concentração de 20 ppm, ou em uma fração de massa superior a 0,05%, ou até superior a 0,5% ou 0,7%, mas geralmente inferior a 1%. Isso diminui o limite de cavitação do alumínio líquido. O objeto de uma aplicação é a aluminização de um metal, por exemplo, do aço.

[0053] O procedimento testado nos ensaios experimentais descritos anteriormente pode ser usado industrialmente, com a ajuda de dispositivos, como os representados nas figuras 6A e 6B, por exemplo. Na figura 6A, representamos um dispositivo composto por um carretei 51 e um carretei 52. Um fio 21 se desenrola do carretei 51 para se enrolar no carretei 52 depois de passar por um banho de metal líquido 22 em uma câmara 20. O deslocamento do fio é representado por uma seta horizontal. Roldanas 53 permitem regular a trajetória do fio. O banho de metal líquido 22 é submetido a uma onda acústica ultrassônica 11 produzida por geradores 10 alinhados sob a base da câmara 20, um guia de onda 12 se estende entre cada gerador 10 e a base da câmara. O tempo do percurso de uma parte do fio no banho é regulado em função da velocidade de acionamento e pode levar pelo menos 1 segundo, preferencialmente entre 1 segundo e 1 minuto e, ainda melhor, se levar entre 10 segundos e 1 minuto. Durante a exposição à onda ultrassônica 11, o metal líquido se deposita ao redor do fio sob a forma de uma camada de revestimento 25. Quando o fio é retirado do banho líquido, a camada de revestimento 25 se solidifica e forma um sedimento. A figura 6B é uma variante da figura 6A. A onda ultrassônica é gerada par um gerador 10 acoplado a um guia de onda 12, este último mergulhado no metal líquido 22. A onda acústica 11 se propaga por um guia de onda auxiliar 12' de formato tubular, capaz de se deformar para propagar a onda acústica 12' no metal líquido 22.

[0054] A formação de uma camada de revestimento 25 na superfície de um substrato sólido 21 pode ter as seguintes aplicações:

proteção anticorrosão;

formação de uma camada condutora;

auxilio para a soldagem, por fusão local da camada de revestimento no nível de um ponto de soldagem.

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17/20 [0055] De acordo com uma variante, um substrato pode ser sucessivamente submetido a dois banhos sucessivos, o primeiro para formar uma primeira camada de revestimento pouco espessa, o segundo, para aumentar a espessura da camada de revestimento.

[0056] Conforme uma segunda aplicação, a invenção permite aumentar a molhabilidade de um substrato sólido 21 colocado na interface entre um dispositivo gerador de ultrassons 30, chamado dispositivo de controle, e um metal líquido 22. O substrato sólido 21 é então uma parte de uma parede 20p da câmara 20 que contém o metal líquido 22 (fig. 7A), ou uma parte de um recipiente de confmamento 35 contendo o dispositivo ultrassônico de controle 30, o recipiente de confmamento 35 é mergulhado no metal líquido 22 (fig. 7C). O aumento da molhabilidade do metal líquido 22 é usado não para formar uma camada de revestimento sobre um substrato, como descrito anteriormente, mas para melhorar as propriedades de transmissão de uma onda ultrassônica, chamada onda de controle 31, esta última destinada a fazer controles não destrutivos na câmara.

[0057] A figura 7A representa o tanque 20 de um reator de nêutrons rápidos, cujo líquido refrigerante é composto por um metal líquido 22, notadamente sódio líquido ou chumbo líquido. Ao contrário da água, que é usada em reatores a água pressurizada, o sódio líquido é visualmente opaco. O uso de ondas acústicas é útil para o monitoramento contínuo das operações ou durante as operações de manutenção. As aplicações são numerosas: visualização em um meio opaco, medição de distâncias, metrologia de superfície, detecção de falhas ou rachaduras. Uma restrição que vale reforçar é a alta temperatura à qual o líquido refrigerante é aquecido para mantê-lo em estado líquido, a temperatura geralmente varia entre 200 °C, para operações de manutenção, e 550°C, quando o reator está funcionando. Um dispositivo ultrassônico de controle 30 é usado para emitir uma onda ultrassônica de controle 31, ele também pode agir como detector para medir o tempo entre a emissão de uma onda ultrassônica de controle e a detecção de uma onda ultrassônica refletida. A onda ultrassônica de controle 31 se propaga a uma

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18/20 densidade de superfície de potência inferior à densidade de potência da onda ultrassônica de potência 11, 10 vezes inferior, por exemplo. A frequência da onda ultrassônica de controle 31 é superior à frequência da onda ultrassônica de potência 11. Sua frequência é geralmente entre 1 MHz e 100 MHz. A densidade de potência da onda ultrassônica de controle no metal líquido é inferior ao limite de cavitação.

[0058] O dispositivo ultrassônico de controle 30 pode ser colocado contra o tanque, do lado de fora dele, de modo a propagar a onda ultrassônica de controle 31 através de uma parede 20p do tanque. O tanque forma assim uma câmara 20, através da qual a onda ultrassônica 31 se propaga entre o dispositivo ultrassônico de controle 30 e o metal líquido 22. A superfície da câmara em contato com o metal líquido, e através da qual a onda ultrassônica 31 se propaga, forma uma superfície, chamada superfície acoplamento 23. Para otimizar a transmissão da onda ultrassônica de controle 31 através da superfície de acoplamento 23, a molhabilidade do metal líquido 22 sobre a superfície de acoplamento pode ser melhorada, expondo a superfície de acoplamento 23 à onda ultrassônica de potência 11, conforme descrito anteriormente. Isso facilita a transmissão da onda ultrassônica de controle 31 através da parede do tanque 20p. Dessa forma, a superfície de acoplamento 23 é exposta a uma onda ultrassônica de potência 11, emitida por um gerador de ultrassons de potência 10. Como podemos ver na figura 7B, a superfície de acoplamento 23 delimita um substrato sólido 21, constituído por metal que forma a parede 20p do tanque 20 nas proximidades da superfície de acoplamento. A aplicação da onda ultrassônica de potência 11 aumenta a molhabilidade da superfície do substrato 21 pelo metal líquido 22, e favorece uma transmissão da onda ultrassônica de controle 31 através a superfície de acoplamento 23. Ela também favorece a transmissão de uma onda ultrassônica refletida 32 que se propaga desde o tanque até o dispositivo ultrassônico de controle 30, através da superfície de acoplamento.

[0059] O gerador de potência 10 é colocado de tal forma que a onda ultrassônica de potência 11, no nível da superfície de acoplamento 23, tenha

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19/20 uma densidade de potência superior no limite de cavitação do metal líquido

22. A frequência da onda ultrassônica de potência 11 é, de preferência, entre 10 e 250 kHz. Para evitar a formação de cavidades no tanque sob o efeito das bolhas de cavitação, a frequência da onda ultrassônica de potência 11 é vantajosamente superior a 40 kHz, e geralmente entre 40 kHz e 80 KHz. O gerador de potência 10 pode ser colocado do lado de fora do tanque 20 ou no interior do tanque. De preferência, a onda ultrassônica de potência 11 se propaga no metal líquido 22, a uma distância de propagação superior a 1 cm e, de preferência, superior a 5 cm, antes de atingir a superfície de acoplamento

23. Esta última forma uma superfície 21s do substrato. Isso evita a exposição da superfície de acoplamento 23 a uma densidade muito elevada de bolhas de cavitação, como descrito no texto de referência da primeira aplicação.

[0060] Conforme uma variante, representada na figura 7C, o dispositivo ultrassônico de controle 30 é imerso no tanque 20 e confinado em um recipiente de confinamento 35, feito de um metal de confinamento. Como podemos ver na figura 7D, o recipiente de confinamento 35 define então uma superfície de acoplamento 33, que se estende em contato com o metal líquido, através da qual a onda de controle 31 se propaga desde o dispositivo ultrassônico de controle 30 até o metal líquido 22. A superfície de acoplamento 33 delimita um substrato sólido 21, feito com o metal do recipiente de confinamento 35. A aplicação da onda ultrassônica de potência 11 aumenta a molhabilidade do metal líquido 22 sobre o metal do recipiente de confinamento 35, e favorece a transmissão da onda ultrassônica de controle 31 através da superfície de acoplamento 33. Ela também pode favorecer a transmissão de uma onda ultrassônica refletida 32 que se propaga desde o tanque até o dispositivo ultrassônico de controle 30. O gerador de potência 10 é colocado de tal forma que a onda ultrassônica de potência 11, no nível da superfície de acoplamento 23, tenha uma densidade de potência superior no limite de cavitação do metal líquido. A frequência da onda ultrassônica de potência 11 é, de preferência, entre 10 e 250 kHz. Uma frequência inferior a 40 KHz, igual a 20 kHz, por exemplo, pode provocar a formação de cavidades no recipiente

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20/20 de confinamento 35, no nível da superfície de acoplamento 33. Isso não é grave, pois o recipiente de confinamento 35 pode ser substituído.

[0061] As configurações indicadas na Tabela 2 podem ser usadas como parte dessa aplicação.

Primeiro material (substrato)	Metal líquido
Titânio	Sódio
Aço	Sódio
Aço inoxidável	Sódio
Cerâmica	Sódio

Tabela 2: exemplos de configurações relativas ao segundo modo de realização [0062] A cerâmica pode ser uma cerâmica à base de silício, de alumínio, de azoto ou de oxigênio, por exemplo, nitretos de silício e de alumínio (SiAlON), nitreto de silício (SÍ3N4) ou rubi.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Procedimento de tratamento de um substrato sólido (21) executando as seguintes etapas:

a) colocação de um substrato sólido (21) em contato com um metal líquido (22), confinado em uma câmara;

b) propagação de uma onda ultrassônica, chamada onda de potência (11), emitida por um dispositivo gerador de ultrassons de potência (10) no metal líquido (22), a onda ultrassônica se propaga no metal líquido (22) antes de atingir a superfície (21s) do substrato sólido (21), de forma que, no nível da superfície do substrato, a densidade de potência da onda ultrassônica de potência (11) seja superior a um limite de cavitação do metal líquido, a frequência da onda ultrassônica de potência entre 10 kHz e 250 kHz;

c) após a propagação da onda ultrassônica de potência (11), da obtenção de bolhas de cavitação no metal líquido (22), as bolhas de cavitação atingem a superfície (21s) do substrato sólido (21), a interação das bolhas de cavitação com a superfície (21 s) do substrato sólido (21) aumenta a molhabilidade desta superfície (21s) pelo metal líquido (22).
2. Procedimento segundo a reivindicação 1, na qual a frequência da onda ultrassônica de potência (11) é superior a 40 kHz,
3. Procedimento segundo qualquer uma das reivindicações 1 e 2, no qual, durante a etapa b), a onda acústica de potência (11) se propaga no metal líquido (22) no interior da câmara (20), a uma distância de propagação superior a 1 cm e, preferencialmente, superior a 5 cm.
4. Procedimento segundo o qual qualquer uma das reivindicações 1 a 3, no qual a onda ultrassônica de potência (11) se propaga a partir do gerador de potência (10), atravessa uma superfície, chamada superfície de interface (13),

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2/4 se estende até o contato com o metal líquido (22), o procedimento compreende uma formação de bolhas de cavitação no interior de um cone (15), chamado cone de hipercavitação, no qual a densidade das bolhas de cavitação é mais elevada do que no exterior do cone, o cone de hipercavitação (15) se estende no metal líquido (22) a partir da superfície de interface (13), o procedimento é tal que, na etapa c), o substrato sólido (21) é colocado na parte externa do cone de hipercavitação.
5. Procedimento segundo a reivindicação 4, no qual a superfície d'interface (13) é uma parede sólida através da qual a onda ultrassônica de potência se propaga.
6. Procedimento segundo o qual qualquer uma das reivindicações 1 a 5, no qual o substrato sólido (21) é um substrato metálico ou de cerâmica, o procedimento compreendendo as seguintes etapas complementares:

d) exposição do substrato (21) à onda ultrassônica de potência (11) durante um tempo de exposição, de preferência, entre 1 segundo e 1 minuto, o metal líquido (22) formando uma camada, chamada camada de revestimento (25), sobre o substrato;

e) retirada do substrato da câmara;

f) após a remoção, solidificação do metal líquido, de modo a formar um sedimento (25) sobre o substrato.
7. Procedimento segundo a reivindicação 6, no qual o substrato (21) é metálico, o metal que forma o substrato a uma temperatura de fusão estritamente superior à do metal líquido (22).
8. Procedimento segundo qualquer uma das reivindicações 6 ou 7, no qual o metal líquido (22) é um metal condutor de eletricidade, de forma que o sedimento (25) formado durante a etapa f) é um sedimento condutor de eletricidade.

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9. Procedimento segundo a reivindicação 8, no qual o metal líquido contém estanho, zinco ou chumbo.
10. Procedimento segundo qualquer uma das reivindicações 6 a 9, no qual a espessura do sedimento (25) formado durante a etapa f) é entre 5 pm e 2 mm.
11. Procedimento segundo qualquer uma das reivindicações 1 a 5, no qual o metal líquido (22) contém alumínio.
12. Procedimento segundo a reivindicação 11, no qual o metal líquido (22) contém magnésio a uma fração de massa inferior a 1%.
13. Procedimento segundo qualquer uma das reivindicações 1 a 5, no qual:

- um dispositivo ultrassônico de controle (30) propaga uma onda ultrassônica (31), chamada onda de controle, no metal líquido (22), através de uma superfície, chamada de superfície de acoplamento (23, 33), a superfície de acoplamento sendo uma superfície do substrato sólido (21) que se estende até o contato com o metal líquido (22);

o substrato sólido (21) é delimitado pela superfície de acoplamento (23, 33);

de tal forma que, durante a etapa c), a molhabilidade da superfície do substrato sólido (21) pelo metal líquido (22) é aumentada de modo a melhorar a transmissão da onda ultrassônica de controle (31) no metal líquido (22) através da superfície de acoplamento (23,33).
14. Procedimento segundo a reivindicação 13, no qual o dispositivo ultrassônico de controle (30) é colocado do lado de fora da câmara (20), a superfície de acoplamento (23) correspondendo a uma interface entre a câmara (20) e o metal líquido (22), através da qual a onda ultrassônica de controle (31) se propaga, o substrato sólido (21) sendo formado por uma parte da câmara delimitada pela superfície de acoplamento (23).

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15. Procedimento segundo a reivindicação 13, no qual o dispositivo ultrassônico de controle (30) está confinado em um recipiente de confinamento (35), o recipiente de confinamento sendo mergulhado no metal líquido (22), a superfície de acoplamento (33) correspondendo a uma interface do recipiente de confinamento (35) com o metal líquido (22), o substrato sólido (21) sendo formado por uma parte do recipiente de confinamento (35) delimitado pela superfície de acoplamento (33).
16. Procedimento segundo qualquer uma das reivindicações 12 a 15, no qual a câmara (20) é o tanque de um reator nuclear, o metal líquido contendo sódio ou chumbo.