CH670104A5

CH670104A5 -

Info

Publication number: CH670104A5
Application number: CH4978/86A
Authority: CH
Inventors: Albi Rudaz
Original assignee: L En De L Ouest Suisse Eos Sa
Priority date: 1986-12-15
Filing date: 1986-12-15
Publication date: 1989-05-12
Also published as: DE272527T1; EP0272527A3; ES2002706A4; GR880300138T1; JPS63227758A; EP0272527A2

Description

DESCRIPTION Dans de nombreuses exploitations comme par exemple dans le cas de centrales hydroélectriques, l'entretien et la reconstitution du matériel endommagé par la cavitation, l'abraison et les efforts divers jouent un rôle, technique et économique, important. Ces travaux, garantissant la bonne marche et le rendement optimal des installations, sont très souvent onéreux et fastidieux. Ils consistent, périodiquement, à revêtir par projection avec des matériaux particulièrement résistants à l'usure, les surfaces sollicitées, ou à reconstituer par soudage les pièces détériorées dans un matériau de même nature que celle du substrat.

Les opérations de projection se font généralement à la flamme ou au plasma à arc non transféré. Les dépôts ainsi obtenus ont l'avantage de se faire à une température relativement basse qui n'affecte pas le matériel de base et présentent un état de surface rendant le meulage superflu. Par contre, leur adhérence est insuffisante et ils ne peuvent pas contribuer à résister aux contraintes mécaniques internes auxquelles est soumis le métal de base (dangers d'arrachement). D'autre part, lors d'une réparation du substrat, un tel dépôt doit généralement être enlevé.

Dans le cas de reconstitution par soudage à l'arc sous ses diverses formes (E, TIG, MIG, MAG, UP, Plasma à arc transféré) de pièces usées, le dépôt obtenu par fusion est de nature métallique et fait corps avec le métal de base. Il satisfait à la fois les exigences relatives aux sollicitations de surface et aux contraintes internes. L'opération se faisant à haute température avec un apport d'énergie élevé, la pièce à travailler est affectée thermiquement et mécaniquement (déformation). Un traitement thermique ultérieur s'avère, dans de nombreux cas, indispensable. L'inconvénient majeur du rechargement par soudage à l'arc est le travail de meulage nécessaire pour garantir le fini de surface désiré, opération pénible et coûteuse.

Pour la fabrication de tubes en acier au carbone ou faiblement alliés présentant un revêtement interne en acier inoxydable (clad pipes), ce revêtement interne est apporté par soudage. Ceci présente l'inconvénient de provoquer une dilution du carbone de l'enveloppe externe dans le revêtement en acier inoxydable et donc d'en diminuer les propriétés de résistance à la corrosion.

Dans les deux exemples précités on voit que les procédés actuels de fabrication ou de remise en état ne donnent pas entière satisfaction.

Pour pallier les inconvénients précités, la titulaire s'est fixée comme but la réalisation d'un procédé de revêtement d'un support avec une couche de métallisation qui répond aux conditions suivantes:

1. La couche de métallisation doit avoir une résistance à l'abraison au moins égale à celle du matériau de base du support.

2. L'épaisseur de la couche de métallisation pourra varier à volonté d'une façon continue. La surface sera suffisamment lisse pour que le meulage de mise en forme ne soit pas nécessaire.

3. Le revêtement sera d'une homogénéité parfaite et ne présentera pas de porosité.

4. Après la métallisation, aucun traitement thermique ne sera nécessaire.

5. La température que la pièce atteindra au cours de la métallisation ne modifiera pas les propriétés métallurgiques du matériau de base.

6. Le procédé pourra à nouveau être utilisé ultérieurement sans que la couche déjà déposée ne doive être enlevée.

7. Le procédé garantira la possibilité d'effectuer des réparations à la couche de métallisation ainsi qu'au matériau de base. Les propriétés de la couche rapportée ne seront pas affectées lorsque le matériau de base sera détentionné par un recuit éventuel.

8. La couche de métallisation et son adhérence auront les propriétés nécessaires pour supporter, sans dommage ni fatique, les flexions et vibrations de la pièce en travail.

9. Le procédé n'exigera pas de connaissances techniques particulières une fois le plan opérationnel établi et il ne présentera aucun danger pour les personnes et les installations.

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10. Le procédé pourra être mécanisé ou robotisé.

11. Le support devra pouvoir être métallique ou non tel que matériau pierreux (béton, céramique), ou synthétique.

La présente invention a pour objet un procédé, et les produits qui en résultent, tendant à obvier aux inconvénients précités des procédés existants et permettant de satisfaire à toutes les conditions énumérées ci-dessus. Ce procédé se distingue par les caractéristiques énoncées aux revendications.

Des formes d'exécutions particulières du procédé selon la présente invention sont définies dans les revendications dépendantes.

Le dessin annexé illustre schématiquement et à titre d'exemple la structure de pièces obtenues à l'aide de ce procédé.

La figure 1 illustre en coupe la couche de métallisation déposée sur le support et non encore fusionnée.

La figure 2 illustre en coupe une pièce munie d'une couche de métallisation partiellement fusionnée.

La figure 2 illustre en coupe une pièce ayant été rechargée une première fois par soudage puis munie d'une couche de métallisation fusionnée.

La figure 4 illustre en détail la figure 3.

Le présent procédé de revêtement d'un support métallique avec une couche de métallisation comporte les opérations successives suivantes:

1. Après un simple nettoyage de la surface de la pièce à revêtir, par exemple par sablage, on projette sur le support à l'aide d'un plasma à arc sous vide ou sous protection gazeuse, un matériau de métallisation de structure stratifiée qui s'accroche mécaniquement au support.

2. Puis on provoque la fusion au moins partielle de la couche de métallisation de structure stratifiée pour lui conférer, dans sa partie fondue, une structure cristalline.

La première phase de ce procédé de revêtement consiste à projeter sur la surface du support, qui est une pièce métallique, généralement une pièce venue de fonderie, une couche de métallisation à l'aide d'une torche à plasma fonctionnant à arc non transféré seul ou à arcs transféré et non transféré simultanément, par exemple de celle utilisée pour les revêtements VPS «Vacuum plasma spray coating». On peut également utiliser une torche à plasma à la pression atmosphérique avec protection gazeuse. La protection par le vide ou par le gaz étant utilisée pour éviter toute oxydation de la matière, poudre métallique, constituant le matériau constitutif de la couche de métallisation.

Par cette opération de projection on réalise un revêtement du support formé d'une couche métallique de structure stratifiée, dense, accrochée mécaniquement à la surface du support. Cet accrochage mécanique est bon, suffisant dans de nombreuses applications, mais est toutefois insuffisant pour que la couche de métallisation participe à la résistance mécanique de la pièce finie et permette de supporter les déformations élastiques de la pièce et les contraintes mécaniques qu'elle subit.

Le matériau, poudre ou fil métallique, constitutif de cette couche de métallisation peut être de la même composition, ou de la même nuance, que le métal ou l'acier formant le support. Cette couche de métallisation peut toutefois avoir une autre composition que celle du support, composition compatible, c'est-à-dire permettant la formation par fusion d'un alliage entre le support et la couche de métallisation, voire même dans certains cas une composition incompatible avec celle du support pour les cas où l'accrochage mécanique de cette couche de revêtement est suffisante. Dans ces conditions un support non métallique peut être envisagé, par exemple, un matériau pierreux (béton, céramique) ou matière synthétique.

En agissant sur la puissance de la colonne d'arc électrique, le débit du matériau d'apport et la vitesse de déplacement de la torche par rapport au support on peut aisément ajuster l'épaisseur de la couche de métallisation déposée sans toutefois dépasser une température maximale tolérée par le support afin d'éviter toute déformation de celui-ci et la nécessité de traitements thermiques ultérieurs.

Il va de soi que pour l'obtention de couches de métallisation très épaisses on peut répéter cette opération de projection plusieurs fois de suite les couches successives de structures stratifiées s'accrochant les unes aux autres.

La constitution de la couche de métallisation sur le support est relativement rapide. Des dépôts de l'ordre de dix kilos à l'heure sont facilement obtenus.

La seconde phase du procédé consiste à fusionner la couche finale ou les couches successives de métallisation apportées sur le support ce qui lui confère alors une structure cristalline permettant l'obtention d'un dépôt compact à surface lisse. Ceci permet d'éliminer toute opération de meulage de la pièce réalisée ce qui est un gain de temps énorme.

Cette fusion de la couche de métallisation est réalisée par exemple à l'aide d'une torche à plasma à arc transféré, d'une torche TIG ou d'un laser. En contrôlant l'intensité de cet arc, la vitesse de déplacement de cette torche de fusion par rapport au support étant la même que celle de la torche de déposition de la couche de métallisation, il est aisément possible de déterminer la profondeur sur laquelle la couche de métallisation est fondue.

De cette façon on peut, suivant que la couche de métallisation est fondue sur toute son épaisseur ou seulement sur une partie de celle-ci, obtenir des pièces de structures différentes.

Si la couche de métallisation est totalement fusionnée et que sa composition soit identique, voisine ou simplement compatible avec la composition du support, on obtient une pièce dont le revêtement, formé par la couche de métallisation est fusionnée avec le support ce qui rend cette pièce monolithique. Dans ce cas le revêtement participe aux déformations et aux efforts subis par la pièce en fonctionnement.

Si la couche de métallisation est totalement fusionnée mais que sa composition est incompatible avec celle du support, on obtient une pièce où la liaison entre le support et son revêtement bien que mécanique reste très intime. Il n'y a pas formation d'un alliage entre le support et le revêtement.

Si la couche de métallisation n'est fusionnée que sur une partie de son épaisseur on obtient une pièce dont la partie externe du revêtement est fusionnée et présente une structure cristalline et donc une surface lisse et compacte mais dont la partie interne, en contact avec le support présente une structure stratifiée ce qui évite toute dilution d'éléments du support dans le revêtement et vice-versa. Dans ces conditions, la composition de la couche de métallisation peut être soit compatible soit non compatible avec celle du support.

La figure 1 illustre avec un grossissement de 200 x un support métallique 1 sur lequel une couche de métallisation 2 de structure stratifiée a été projetée. Cette couche de métallisation 2 n'a pas encore été fusionnée totalement ou partiellement pour obtenir une structure cristalline.

La figure 2 illustre avec un grossissement de 25 x une couche de métallisation 2 dont une partie seulement 2a a été fusionnée. On voit très nettement la structure stratifiée 2 se distinguant de la partie fusionnée 2a. Les parties 2 et 2a sont liées par une zone 3 de fusion partielle. Dans ce cas, la couche de métallisation est en acier inoxydable du type X5CrNi 134.

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La figure 3 illustre avec un grossissement de 25 x un support venu de fonderie qui a été rechargé par des cordons de soudure 4,4a, 4b par un procédé de soudage conventionnel, suivi d'un meulage. On voit clairement les couches de soudure 4, 4a, 4b. Cette pièce ainsi rechargée a été munie d'un revêtement selon le présent procédé. La couche de métallisation 5 a ici été fusionnée sur la totalité de son épaisseur de sorte qu'une liaison cristalline 6 par fusion s'est opérée entre les couches de soudure 4, 4a et cette couche de métallisation 5 de structure entièrement cristalline.

Enfin, la figure 4 illustre avec un grossissement de 100 x un détail A de la figure 3. Elle montre la limite entre la liaison cristalline 6 et la couche de métallisation 5 fusionnée. On voit clairement que la structure finale obtenue est cristalline et que la pièce est entièrement monolithique.

Dans le cas des figures 3 et 4, la composition de la couche de métallisation doit être compatible avec celle du support ce qui n'est pas nécessaire dans le cas de la figure 1.

La pièce illustrée à la figure 3 a été obtenue de la façon suivante:

Sur un support en acier inoxydable de type X5CrNil34 rechargé par soudage on a projeté par «Vacuum plasma spray coating technology» VPS une couche de métallisation d'une épaisseur d'environ 5 mm de même composition que le support.

On a ensuite fusionné cette couche de métallisation par un plasma à arc transféré d'une intensité moyenne de 200A, d'une pulsation d'une fréquence de 10 Hz à une vitesse d'avance de 0,5 mm/s.

Lors de la phase de fusion de la couche de métallisation, on a observé une largeur de bain d'environ 22 mm, une pénétration de l'ordre de 6 mm, un bain calme, lisse et très stable sans projection.

Il est intéressant de relever que le fait de fusionner en tout ou partie une couche de métallisation projetée par plasma à arc sous vide ou sous protection gazeuse va à l'encontre de l'avis de tous les spécialistes de ce type de revêtement. En effet, la réaction des spécialistes du soudage est qu'une fusion d'une couche de métallisation projetée par plasma provoquera immanquablement un retrait de cette couche dû à une compacité insuffisante (structure stratifiée) et à la tension superficielle du métal en fusion et que la surface que l'on obtiendrait ainsi, présenterait des cavités importantes incompatibles avec le but recherché.

Ce procédé peut avantageusement être utilisé pour la réfection d'aubes de turbine usinées ou de toute autre pièce mécanique usinée ou coulée. On pourra, en utilisant une couche de métallisation compatible avec le support et entièrement fusionnée, redonner à la pièce mécanique pratiquement ses caractéristiques d'origine.

Une autre application pour laquelle ce procédé s'avère particulièrement utile est la fabrication de tubes munis de revêtement interne (clad pipes). Dans cette application le tube est en acier au carbone ou faiblement allié et son revêtement en acier inoxydable, il est alors important que la fusion de la couche de métallisation soit partielle seulement pour éviter toute dilution du carbone du tube dans le revêtement interne ce qui nuirait à ses qualités anticorrosi-ves. Dans une telle application le revêtement interne ne participe pas à la résistance du tube et un accrochage purement mécanique de la couche de métallisation sur son support est suffisant.

De plus, ce procédé est économiquement très avantageux car il permet une exécution plus rapide, que l'apport d'un revêtement par les procédés de soudage conventionnels et de plus il supprime les travaux annexes d'usinage et de meulage du revêtement apposé.

Enfin, il faut encore noter que ce procédé peut être très facilement automatisé ou robotisé puisqu'il suffit de commander les déplacements relatifs entre le support et les torches, en vitesse et parcours, ainsi que l'intensité des arcs de ces torches et le débit du matériau d'apport.

Un avantage particulier à ce procédé est de pouvoir contrôler avec exactitude l'apport d'énergie au support pendant son traitement tout en obtenant un revêtement de la qualité désirée.

En effet, dans ce procédé, l'apport de matière constituant la couche de métallisation est dissocié de la fusion de cette couche. L'énergie à apporter pour la fusion de tout ou partie de cette couche de métallisation dépend principalement de son épaisseur. Etant donné que cette épaisseur est contrôlable à volonté, il s'en suit que l'apport d'énergie nécessaire à la fusion est également contrôlé et maintenu dans la limite désirée.

Ce procédé peut également être utilisé pour déposer un revêtement métallique conducteur de l'électricité et de structure cristalline sur un support non métallique par exemple en céramique.

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1. Procédé de revêtement d'un support avec une couche de métallisation, caractérisé par le fait qu'on projette sur le support, à l'aide d'un plasma à arc, sous vide ou sous protection gazeuse, un matériau de métallisation pour créer une couche de métallisation de structure stratifiée accrochée mécaniquement au support; puis qu'on provoque la fusion d'une partie au moins de cette couche de métallisation de structure stratifiée pour lui conférer, dans sa partie fondue, une structure cristalline.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le support est non métallique.

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REVENDICATIONS

3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le support est métallique et que la composition de la couche de métallisation est sensiblement identique à celle de ce support métallique.

4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le support est métallique et que la composition de la couche de métallisation est différente de celle de ce support métallique.

5. Procédé selon la revendication 3 ou la revendication 4, caractérisé par le fait que la composition de la couche de métallisation permet la formation, par fusion, d'un alliage avec le matériau constituant le support métallique.

6. Procédé selon la'revendication 2 ou la revendication 4, caractérisé par le fait que la composition de la couche de métallisation interdit la formation, par fusion, d'un alliage avec le matériau constituant le support.

7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'on fusionne la couche de métallisation sur une partie seulement de son épaisseur laissant ainsi subsister au contact du support une zone à structure stratifiée de cette couche de métallisation.

8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la fusion d'une partie au moins de la couche de métallisation à structure stratifiée est réalisée à l'aide d'un plasma à arc transféré, d'un soudage à l'arc sous gaz inerte avec électrode non consommable (TIG) ou d'un laser.

9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le plasma à arc servant à la projection du matériau de métallisation sur le support est un plasma à arc fonctionnant à arc non transféré seul ou à arcs transféré et non transféré simultanément.

10. Produit obtenu selon le procédé de la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte un support recouvert partiellement au moins d'une couche de métallisation présentant une zone cristalline et une zone de structure stratifiée au contact du support.

11. Produit selon la revendication 10, obtenu par le procédé de la revendication 5, caractérisé par le fait qu'il comporte un support recouvert partiellement au moins d'une couche de métallisation de structure cristalline, cette couche étant fusionnée avec le matériau constituant le support métallique.