FR2715942A1 - Procédé et dispositif de traitement d'une surface d'un substrat par dépôt d'un revêtement. - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de traitement d'un surface d'un substrat par dépôt d'un revêtement obtenu par fusion de poudres au moyen d'un faisceau laser. Le dispositif (20) comporte essentiellement une torche à plasma (21) et un laser (22) équipé de son système optique (23). La torche à plasma génère un flux de plasma (24) orienté à 45 degré par rapport au laser. Elle est alimentée par une source froide et une source chaude de gaz neutre. La poudre (13), ou un mélange de poudres polyphasées ou non, est injectée dans le flux (26) de gaz neutre chaud. Le jet de poudre en fusion véhiculé par le flux de plasma (24) est orienté à 45 degré vers la zone d'impact du faisceau laser. Ce procédé permet de déposer un revêtement (19) sur la surface d'une pièce (17) en utilisant un laser de faible puissance et en réalisant un revêtement de haute qualité.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE TRAITEMENT D'UNE SURFACE D'UN SUBSTRAT PAR DEPOT D ' UN REVêTEMENT
La présente invention concerne un procédé de traitement d'une surface d'un substrat par dépôt d'un revêtement obtenu par fusion au moyen d'un faisceau laser d'au moins une poudre véhiculée par un flux de gaz neutre.

Elle concerne également un dispositif de traitement d'une surface d'un substrat par dépôt d'un revêtement obtenu par fusion au moyen d'un faisceau laser d'au moins une poudre véhiculée par un jet de gaz neutre, pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention.

D'une manière connue, on réalise le revêtement de certaines pièces de mécanique sous forme d'une couche de matériaux obtenue à partir de poudres amenées à l'état fondu en utilisant des lasers de puissance. Lorsque ces revêtements sont épais, c'est-à-dire supérieurs & 0,5 ou 0,6 mm, le traitement exige des lasers de puissance importante, par exemple des laser à anhydride carbonique (CO2 > dont la puissance est de 1 à 20 kW. Ce type de laser est très coûteux à l'investissement, à l'utilisation et à l'entretien.

Par ailleurs, lorsque les revêtements correspondent à une formulation chimique complexe, et sont issus de mélanges de poudres de compositions chimiques différentes, la technique de collage par addition d'un liant de type PVD ou CVD, telle qu'elle est utilisée dans les projections plasma, se révèle inopérante et même franchement incompatible dans un faisceau laser. En effet, l'émergence de gaz, tels que l'oxygène et l'azote contenus dans le liant mis en température dans le faisceau laser, fragilise très fortement le revêtement pendant le refroidissement et ceci même si la projection s'effectue dans un gaz neutre. A titre d'exemple, l'effet nocif de l'oxygène sur les alliages de titane est bien connu.

En conclusion, les procédés connus, actuellement utilisés, présentent des limites qui les rendent inopérants dans certaines conditions ou pour certaines utilisations ainsi des inconvénients dus à leur coût, à l'achat et à l'utilisation.

La présente invention se propose de pallier ces inconvénients en développant un procédé simple et efficace qui permet d'effectuer des revêtements de bonne qualité, épais, avec des lasers relativement peu onéreux, et en partant de poudres mélangées à un liant organique, sans que les mélanges utilisés ne subissent une altération dommageable en cours de traitement.

Ces buts sont atteints par le procédé selon l'invention, caractérisé en ce que l'on injecte ladite poudre dans ledit flux de gaz neutre à l'intérieur d'une torche à plasma générant un flux de plasma agencé pour véhiculer un jet de poudre en fusion.

De préférence l'on dispose ladite torche à plasma de telle manière que ledit flux de plasma soit orienté à environ 45- par rapport audit faisceau laser.

Dans une forme du procédé ledit flux de gaz neutre dans lequel on injecte ladite poudre se compose d'un flux de gaz neutre chaud entouré d'un flux de gaz neutre froid à l'intérieur de ladite torche à plasma. Ledit flux de gaz neutre chaud peut avoir une température comprise entre 2'000 et 3'500in.

De façon avantageuse l'on dispose ladite torche à plasma de telle manière que l'impact du jet de poudre en fusion soit situé en aval de l'impact du faisceau laser.

Dans le procédé selon l'invention, ladite poudre est du type polyphasée et peut comporter différents grains de matériaux pulvérulents agglomérés par un liant organique.

Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte un laser équipé de son système optique pour générer un faisceau sensiblement perpendiculaire à la surface du substrat à traiter, et une torche à plasma associée à des moyens agencés pour injecter ladite poudre dans ladite torche.

Dans la forme de réalisation préférée du dispositif, ladite torche à plasma est orientée sensiblement à 45- par rapport au faisceau laser. Elle est avantageusement connectée à une source de gaz neutre froide et à une source de gaz neutre chaude, et lesdits moyens pour injecter la poudre débouchent dans le flux de gaz neutre chaud, à l'intérieur de ladite torche.

L'invention sera mieux comprise en référence à la description d'un exemple de réalisation préféré et aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 représente schématiquement un dispositif tel qu'utilisé actuellement pour effectuer un revêtement à partir de poudres amenées en fusion par un faisceau laser, la figure 2 représente schématiquement une forme de réalisation du dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention, et la figure 3 est une vue agrandie illustrant schématiquement une poudre polyphasée utilisée dans le cadre du procédé selon l'invention.

En référence à la figure 1, le dispositif 10 représenté comporte essentiellement un laser de puissance 11 et son système optique 12 ainsi que des moyens pour projeter une poudre 13 à déposer sur une surface 14 dans un environnement de gaz neutre 15, tel que par exemple de l'argon. Cette poudre est projetée à la base du faisceau 16 émis par le laser de puissance 11, ce faisceau étant défocalisé par rapport à la surface 14, ou légèrement en aval de la zone d'impact du faisceau sur cette surface, et faisant un angle d'environ 90 avec la surface 14, le jet de poudre environné de gaz neutre faisant lui un angle d'environ 45 avec cette surface. Le résultat que l'on se propose d'obtenir est le dépôt d'un revêtement 19 sur la surface 14 d'une pièce ou substrat 17, ce revêtement étant réalisé à base de ladite poudre 13.

Dans cette réalisation, la puissance du laser doit être importante, car elle doit assurer la refusion superficielle de la pièce 17 qui, dans la zone inférieure 18 du jet, se trouve pratiquement à la température ambiante. Les déperditions d'énergie sont très grandes, principalement lors de la mise en température de la poudre qui est & l'état pulvérisé, donc diffus.

Le procédé selon l'invention consiste à projeter une poudre qui est déjà en fusion avant d'être amenée en contact avec la surface de la pièce à traiter, de manière à limiter la puissance nécessaire du laser. Le préchauffage et la fusion de la poudre sont réalisés à l'aide d'un plasma, ce qui constitue un moyen peu onéreux, le générateur ou torche à plasma pouvant alors être combiné avec un laser de relativement faible puissance.

La figure 2 illustre le dispositif selon l'invention, qui permet de mettre en oeuvre ce procédé. Ce dispositif 20 se compose d'une torche à plasma 21 et d'un laser 22 équipé de son système optique 23. La torche à plasma génère un flux de plasma 24 orienté à 45 par rapport au laser. Elle est alimentée par une source de gaz neutre tel que l'argon, qui est appelée source froide et qui génère un flux périphérique 25 dans ladite torche, et par une source de gaz neutre tel que l'argon et/ou l'hélium, qui est appelée source chaude et qui génère un flux central 26 de gaz chaud à une température de l'ordre de 2'800 à 3'500 C, sous une pression d'environ dix atmosphères. Un conduit 27 d'amenée d'une poudre ou d'un mélange de poudres 13 débouche dans le flux central 26. Le jet de poudre est amené en fusion par le flux de plasma 24 à quelques millimètres en aval du point d'impact du faisceau laser sur la surface 14 de la pièce 17 en vue d'y déposer le revêtement 19. La poudre peut être simple ou composite, notamment constituée d'un mélange de poudres de matériaux différents agglomérés ou non.

Cette technique a non seulement l'avantage d'utiliser des lasers de moindre puissance, mais permet en outre l'utilisation de conglomérats de poudres, ou de poudres polyphasées constituées par des alliages de poudres composées d'éléments chimiques purs, sans en avoir les inconvénients. Ce type de poudres est obtenu par des "collages" au moyen de liants organiques qui doivent être éliminés au moment de l'impact du jet en fusion sur la surface 14 de la pièce à traiter 17.

Un exemple de poudre polyphasée, biphasée dans le présent cas, est représenté schématiquement par la figure 3. Cette poudre se compose de grains 30 d'une première matière et de grains 31 d'une seconde matière, ces grains étant liés ou encollés" par un liant organique 32.

L'utilisation de ces poudres conduit à des teneurs en oxygène, en azote et en hydrogène qui sont nettement supérieures à celles d'un matériau forgé ou moulé, chimiquement identique. De plus, le liant organique contient aussi intrinsèquement de tels gaz. L'apport, même très limité, de tous ces gaz dans le métal de la pièce, par dilution et/ou par diffusion, peut introduire des éléments fragilisants qui sont bien évidemment déconseillés. Dans le revêtement proprement dit, ces gaz se retrouvent dissous dans la matrice qu'ils fragilisent ou sous forme de porosités sphériques en particulier à la liaison avec la pièce.

Le procédé selon l'invention permet non seulement d'évacuer complètement ces gaz, le liant étant étuvé à haute température par le plasma, mais également de réduire le risque de leur propagation dans la pièce.

Un autre avantage du procédé provient de ce que les vitesses de refroidissement du revêtement sont lentes, parce qu'il reste sous le flux de gaz neutre entretenu à haute température par le plasma. Sachant que le refroidissement rapide du revêtement, tel qu'il se produit avec le procédé de l'art antérieur, aboutit à de grandes duretés et des fissurations préjudiciables, on comprend aisément que l'augmentation des temps de refroidissement ne peut être que bénéfique.

Une des applications du procédé est le revêtement d'une pièce ou substrat en alliage de titane par un mélange de titane béta et de carbure de titane.

D'autres applications sont envisageables en fonction des résultats que l'on souhaite obtenir.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1. Procédé de traitement d'une surface d'un substrat par dépôt d'un revêtement obtenu par fusion au moyen d'un faisceau laser d'au moins une poudre véhiculée par un flux de gaz neutre, caractérisé en ce que l'on injecte ladite poudre dans ledit flux de gaz neutre à l'intérieur d'une torche à plasma générant un flux de plasma agencé pour véhiculer un jet de poudre en fusion.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on dispose ladite torche à plasma de telle manière que ledit flux de plasma soit orienté à environ 45- par rapport audit faisceau laser.

3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le flux de gaz neutre dans lequel on injecte ladite poudre se compose d'un flux de gaz neutre chaud entouré d'un flux de gaz neutre froid à l'intérieur de ladite torche à plasma.

4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit flux de gaz neutre chaud a une température comprise entre 2'000 et 3'5000C.

5. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on dispose ladite torche à plasma de telle manière que l'impact du jet de poudre en fusion soit situé en aval de l'impact du faisceau laser.

6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite poudre est du type polyphasée et comporte différents grains de matériaux pulvérulents agglomérés par un liant organique.

7. Dispositif de traitement d'une surface d'un substrat par dépôt d'un revêtement obtenu par fusion au moyen d'un faisceau laser d'au moins une poudre véhiculée par un flux de gaz neutre, pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un laser (22) équipé de son système optique (23) pour générer un faisceau sensiblement perpendiculaire à la surface (14) du substrat (17) à traiter, et une torche à plasma (21) associée à des moyens (27) agencés pour injecter ladite poudre (13) dans ladite torche.

8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite torche à plasma (21) est orientée sensiblement à 45- par rapport au faisceau laser.

9. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la torche à plasma (21) est connectée à une source de gaz neutre froide et à une source de gaz neutre chaude, et en ce que lesdits moyens (27) pour injecter la poudre (13) débouchent dans le flux (26) de gaz neutre chaud, à l'intérieur de ladite torche.