FR2679925A1 - Production of metallic cellular structures - Google Patents

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Abstract

A porous composite foam having apparent porosity and used as a catalyst support is described in which the pore openings are formed by the outer surfaces of a skin material which has high thermal or thermochemical resistance and follows the inner surface contours of an inner die, itself formed initially from a metal foam having apparent porosity and lower thermal resistance. A method of manufacture includes thermal spraying of a material having the necessary thermal or thermochemical resistance properties onto an existing metal foam or structure having apparent porosity.

Description

REALISATION DE STRUCTURES ALVEOLAIRES METALLIQUES
L'utilisation de structures alvéolaires métalliques comme supports de catalyseurs pour le traitement d'effluents gazeux présente de nombreux avantages par rapport aux solutions traditionnelles, notamment du type monolithe en céramique. On notera notamment parmi ces avantages - un allègement, - une homogénéité thermique accrue, - un meilleur piégeage des gaz par la création de régimes
non laminaires d'écoulement, d'où découle la possibilité
de réduire les masses de catalyseurs utilisées.REALIZATION OF METALLIC ALVEOLAR STRUCTURES
The use of metallic honeycomb structures as catalyst supports for the treatment of gaseous effluents has many advantages compared to traditional solutions, in particular of the ceramic monolith type. Among these advantages, it will be noted in particular - lightening, - increased thermal homogeneity, - better gas trapping by the creation of regimes
non-laminar flow, hence the possibility
to reduce the masses of catalysts used.

Cependant, les matériaux métalliques utilisés comme supports de catalyseurs, pour des utilisations où la température de fonctionnement peut atteindre 1100 0C dans des atmosphères oxydantes, doivent pouvoir présenter une excellente résistance thermochimique. Tel est par exemple le cas des alliages Fe-Cr-Al (avec une teneur en chrome de l'ordre de 17 S et une teneur en aluminium voisine de 4 %), ou d'alliages comportant du fer, du chrome et du nickel. However, the metallic materials used as catalyst supports, for uses where the operating temperature can reach 1100 ° C. in oxidizing atmospheres, must be able to exhibit excellent thermochemical resistance. This is for example the case of Fe-Cr-Al alloys (with a chromium content of around 17 S and an aluminum content close to 4%), or of alloys comprising iron, chromium and nickel .

Des contraintes comparables d'utilisation peuvent notamment être rencontrées dans le cas d'utilisation des mêmes structures métalliques pour certaines applications de type filtration comme par exemple pour la filtration d'échappements de moteurs diesels. Les mêmes alliages permettent de répondre à ce type de situation. Comparable constraints of use can in particular be encountered in the case of using the same metallic structures for certain filtration type applications such as for example for the filtration of diesel engine exhausts. The same alloys make it possible to respond to this type of situation.

I1 convenait de trouver un procédé économique de réalisation d'une mousse constituée de tels alliages dits "fecralloy".  I1 had to find an economical process for producing a foam made of such alloys called "fecralloy".

Plusieurs procédés de mise en oeuvre de ces alliages par réduction chimique ou cémentation ont été proposés ; ils se révèlent tous très onéreux. L'invention objet du présent brevet est fondée d'une part sur la réalisation de mousses en cuivre ou en nickel très légères suivant un procédé économique actuellement industrialisé (brevet français nO 84.01110), et d'autre part sur la constitution d'un revêtement épais additionnel en Fe-Cr-Al ou en un alliage comprenant du nickel par projection thermique. On entend ici par projection thermique l'utilisation d'un pistolet thermique oxyacétylénique ou d'un pistolet à plasma ou encore d'un pistolet à arc. Several methods of using these alloys by chemical reduction or case hardening have been proposed; they all turn out to be very expensive. The invention which is the subject of this patent is based on the one hand on the production of very light copper or nickel foams according to an currently industrialized economic process (French patent No. 84.01110), and on the other hand on the constitution of a coating additional thick Fe-Cr-Al or an alloy comprising nickel by thermal spraying. By thermal projection is meant here the use of an oxyacetylene heat gun or a plasma gun or even an arc gun.

Toutefois, compte tenu qu'une meilleure homogénéité du revêtement projeté est obtenue lorsque les gouttelettes ou particules sont les plus petites, il apparaît que les meilleurs résultats sont atteints, par ordre de préférence décroissant, avec la projection au pistolet à plasma, la projection au pistolet oxyacétylénique, la projection au pistolet à arc.However, given that a better homogeneity of the sprayed coating is obtained when the droplets or particles are the smallest, it appears that the best results are achieved, in decreasing order of preference, with the spraying with the plasma gun, the spraying with the oxyacetylene gun, projection with an arc gun.

En conséquence, la réalisation d'une structure pouvant par exemple servir de filtre-diesel ou servir de support à des catalyseurs, notamment pour constituer un pôt catalytique bi ou trifonctionnel pour le traitement des gaz d'échappement des véhicules à moteur à explosion, peut être effectuée de la façon suivante
1. le substrat initial est une mousse alvéolaire en matériau organique polymère, par exemple polyuréthane, d'épaisseur comprise entre 1,0 et 10,0 mm et dont le diamètre moyen des alvéoles est compris entre 0,3 et 2 mm, soit de PPI 60 à PPI 10 (PPI : Pores Per Inch).Consequently, the construction of a structure which can, for example, serve as a diesel filter or serve as a support for catalysts, in particular for constituting a bi or trifunctional catalytic pot for the treatment of exhaust gases from vehicles with internal combustion engines, can be performed as follows
1. the initial substrate is a cellular foam of organic polymeric material, for example polyurethane, of thickness between 1.0 and 10.0 mm and whose average diameter of the cells is between 0.3 and 2 mm, or PPI 60 to PPI 10 (PPI: Pores Per Inch).

2. Le substrat est "prémétallisé" par du fer, du chrome, du cuivre, du nickel ou un alliage comportant un ou plusieurs de ces métaux. Dans le cas par exemple du cuivre ou d'un alliage de cuivre, ce premier dépôt peut être effectué par projection thermique ou par pulvérisation cathodique. Dans le cas du nickel et du fer, on procédera par pulvérisation cathodique. 2. The substrate is "premetallized" with iron, chromium, copper, nickel or an alloy comprising one or more of these metals. In the case for example of copper or a copper alloy, this first deposition can be carried out by thermal spraying or by sputtering. In the case of nickel and iron, we will proceed by sputtering.

La prémétallisation est effectuée de manière à recouvrir la totalité de la surface des mailles des alvéoles constituant la structure, à travers toute l'épaisseur de celle-ci. Elle ne doit en aucun cas fermer la porosité de la structure initiale.The premetallization is carried out so as to cover the entire surface of the cells of the cells constituting the structure, through the entire thickness of the latter. In no case should it close the porosity of the initial structure.

Ce premier dépôt a pour objet de rendre le substrat organique électriquement conducteur afin qu'il puisse être soumis à un deuxième dépôt, réalisé par voie électrochimique.The purpose of this first deposit is to make the organic substrate electrically conductive so that it can be subjected to a second deposit, produced electrochemically.

3. Le substrat prémétallisé, donc rendu conducteur sur toute sa surface développée, est placé en cathode dans une cellule d'électrolyse afin de subir un deuxième dépôt, par exemple de cuivre, de nickel, de fer ou d'alliages comportant un ou plusieurs de ces métaux, avec une charge comprise par exemple entre 80 et 300 g/m2 de surface apparente et avantageusement de 150 g/m2. 3. The premetallized substrate, therefore made conductive over its entire developed surface, is placed as a cathode in an electrolysis cell in order to undergo a second deposition, for example of copper, nickel, iron or alloys comprising one or more of these metals, with a load of, for example, between 80 and 300 g / m2 of apparent surface and advantageously 150 g / m2.

Tout comme la prémétallisation, le dépôt électrolytique est effectué sur la totalité de la surface des mailles des alvéoles de la structure, à travers toute l'épaisseur de celle-ci, sans en fermer la porosité.Like the pre-metallization, the electrolytic deposition is carried out on the entire surface of the cells of the cells of the structure, through the entire thickness of the latter, without closing the porosity.

Ce deuxième dépôt a pour objet d'obtenir une structure métallisée capable de subir, sans déformation liée à ses conditions thermiques de réalisation, un troisième dépôt métallique réalisé par projection thermique.The object of this second deposit is to obtain a metallized structure capable of undergoing, without deformation related to its thermal conditions of production, a third metal deposit produced by thermal spraying.

4. La mousse métallique ainsi obtenue peut éventuellement être traitée thermiquement. Ce traitement thermique peut comporter les deux phases suivantes - une oxydation du substrat organique en atmosphère
oxydante à une température de l'ordre de 500 à 7000C - une désoxydation du dépôt métallique, et un recuit pour
conférer au matériau les caractéristiques mécaniques
souhaitées, en atmosphère réductrice.4. The metal foam thus obtained can optionally be heat treated. This heat treatment can include the following two phases - oxidation of the organic substrate in the atmosphere
oxidizing at a temperature of the order of 500 to 7000C - deoxidation of the metal deposit, and annealing for
give the material the mechanical characteristics
desired, in a reducing atmosphere.

5. La mousse métallique, traitée thermiquement ou non, est soumise à une projection d'un alliage Fe-Cr-Al proche de la composition (fer, chrome 17 %, aluminium 4 %) ou d'un alliage comportant du nickel à l'aide d'un des moyens de projection thermique décrit précédemment. La projection est effectuée d'abord à travers une face puis à travers l'autre. Des moyens de refroidissement de la mousse peuvent être avantageusement appliqués sur les parties de celle-ci non soumise à la projection, le refroidissement de la zone soumise à la projection étant effectué par conduction dans le matériau constitutif de la mousse. 5. The metal foam, heat treated or not, is subjected to a projection of an alloy Fe-Cr-Al close to the composition (iron, chromium 17%, aluminum 4%) or of an alloy comprising nickel with l using one of the thermal spraying means described above. The projection is carried out first through one face and then through the other. Means for cooling the foam can advantageously be applied to the parts of the latter which are not subject to spraying, the cooling of the area subjected to the spraying being carried out by conduction in the material constituting the foam.

Une masse surfacique comprise entre 200 et 1000 g/m2 peut être avantageusement déposée. Ce dépôt doit être réalisé de manière à ne pas fermer la porosité de la structure alvéolaire.An areal mass of between 200 and 1000 g / m2 can advantageously be deposited. This deposition must be carried out so as not to close the porosity of the honeycomb structure.

6. Le produit ainsi réalisé peut avantageusement subir un traitement thermique. Si celui-ci n'a pas été effectué après l'opération de dépôt électrolytique, il pourra être conduit selon les deux phases décrites plus haut - oxydation du substrat organique, - désoxydation éventuelle et recuit. 6. The product thus produced can advantageously undergo heat treatment. If this has not been done after the electroplating operation, it can be carried out according to the two phases described above - oxidation of the organic substrate, - possible deoxidation and annealing.

Si une oxydation thermique du substrat organique a seule été conduite à l'issue du dépôt électrolytique, le traitement thermique à effectuer après dépôt par projection, pourra consister simplement en une éventuelle désoxydation suivie d'un recuit, l'ensemble étant réalisé sous atmosphère réductrice.If a thermal oxidation of the organic substrate has only been carried out at the end of the electrolytic deposition, the heat treatment to be carried out after deposition by projection, may simply consist of a possible deoxidation followed by annealing, the whole being carried out under a reducing atmosphere. .

Dans le cas d'une utilisation comme support de catalyseur, on pourra ensuite procéder aux traitements classiques de dépôt d'une couche d'alumine (wash coat) et d'imprégnation dans l'alumine des catalyseurs. In the case of use as a catalyst support, it will then be possible to carry out the conventional treatments for depositing a layer of alumina (wash coat) and impregnating the catalysts in alumina.

Les bandes de mousse ainsi obtenues peuvent ensuite être enroulées sur elles-mêmes pour constituer un cylindre qui peut être enfermé dans une enveloppe cylindrique constituant le carter et donnant cohérence mécanique à l'ensemble. The strips of foam thus obtained can then be wound on themselves to form a cylinder which can be enclosed in a cylindrical envelope constituting the casing and giving mechanical coherence to the assembly.

Une telle structure métallique alvéolaire à porosité ouverte peut également être utilisée comme filtre à particules sur les échappements de moteurs diesels, la régénération du filtre étant avantageusement réalisable par combustion des particules carbonées, le chauffage pouvant être effectué soit thermiquement par inflammation périodique avec injection d'un combustible, soit par combustion catalytique, soit encore par chauffage par effet
JOULE.Such an open porous cellular metal structure can also be used as a particulate filter on exhaust from diesel engines, the regeneration of the filter being advantageously achievable by combustion of carbonaceous particles, the heating being able to be carried out either thermally by periodic ignition with injection of a fuel, either by catalytic combustion or by effect heating
JOULE.

Naturellement, et comme il résulte de ce qui précède, l'invention ne saurait être limitée aux exemples de réalisation qui ont été décrits, mais en embrasse toutes les variantes, de telles variantes de mise en oeuvre pouvant être conçues par l'homme de l'art sans sortir de son cadre.  Naturally, and as follows from the foregoing, the invention cannot be limited to the exemplary embodiments which have been described, but embraces all the variants thereof, such variants of implementation being able to be conceived by those skilled in the art. without departing from its framework.

Claims (11)

REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation d'une structure métallique alvéolaire à porosité ouverte, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes a - première métallisation, ou prémétallisation, d'une 1. A method of producing an open porous cellular metal structure, characterized in that it comprises the following steps a - first metallization, or premetallization, of a structure alvéolaire en matériau organique polymère, honeycomb structure in organic polymer material, sans fermeture de la porosité b - deuxième métallisation, sans fermeture de la without closing the porosity b - second metallization, without closing the porosité, réalisée par dépôt électrochimique c - troisième métallisation, sans fermeture de la porosity, produced by electrochemical deposition c - third metallization, without closing the porosité, réalisée par projection thermique. porosity, produced by thermal spraying. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la prémétallisation est effectuée par projection thermique. 2. Method according to claim 1, characterized in that the premetallization is carried out by thermal spraying. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la prémétallisation est effectuée par pulvérisation cathodique. 3. Method according to claim 1, characterized in that the premetallization is carried out by sputtering. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que la projection thermique est effectuée au pistolet à plasma. 4. Method according to any one of claims 1 to 2, characterized in that the thermal spraying is carried out with a plasma gun. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que la projection thermique est effectuée au pistolet oxyacétylénique. 5. Method according to any one of claims 1 to 2, characterized in that the thermal spraying is carried out with an oxyacetylene gun. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que la projection thermique est effectuée au pistolet à arc. 6. Method according to any one of claims 1 to 2, characterized in that the thermal spraying is carried out with an arc gun. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'on opère, avant ou après la troisième métallisation, une oxydation thermique, en atmosphère oxydante, de la structure alvéolaire initiale en matériau organique. 7. Method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that one operates, before or after the third metallization, a thermal oxidation, in an oxidizing atmosphere, of the initial cellular structure of organic material. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'on opère, avant ou après la troisième métallisation, un recuit de la structure métallique , en atmosphère réductrice. 8. Method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that one operates, before or after the third metallization, an annealing of the metallic structure, in a reducing atmosphere. 9. Structure métallique alvéolaire à porosité ouverte, caractérisée en ce qu'elle est obtenue suivant le procédé mis en oeuvre selon lrune quelconque des revendications 1 à 8. 9. Open cell porous metallic structure, characterized in that it is obtained according to the process implemented according to any one of claims 1 to 8. 10. Application selon la revendication 9, à titre de support de catalyseur ou de filtre. 10. Application according to claim 9, as catalyst support or filter. 11. Application selon l'une quelconque des revendications 9 à 10, caractérisée en ce que le dépôt métallique final est constitué par du cuivre, du nickel, du fer, du chrome, de l'aluminium, ou un mélange d'un ou plusieurs de ces métaux.  11. Application according to any one of claims 9 to 10, characterized in that the final metallic deposit consists of copper, nickel, iron, chromium, aluminum, or a mixture of one or more of these metals.
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