FR3111146A1 - Installation de traitement de pieces metalliques par oxydation micro-arc - Google Patents
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Abstract
Installation de traitement par oxydation micro-arc de pièces (3) s'étendant selon un axe Ap entre deux extrémités, comprenant : - une cuve apte à contenir un bain électrolytique, - un générateur apte à délivrer un signal électrique pour soumettre chaque pièce audit traitement, - un outillage comportant un support (10) et au moins une contre-électrode (4) de forme, le support étant doté de moyens d'assemblage d'au moins une pièce avec une contre-électrode, comprenant des moyens de fixation des deux extrémités de chaque pièce, maintenus ensemble dans deux plans parallèles par une tige (40) dotée de moyens de blocage en compression desdites pièces selon leur axe Ap, chaque contre-électrode adoptant la forme d’un cylindre fixé de manière que son axe Ac est confondu avec l'axe Ap de la pièce correspondante, et que la surface de chaque pièce est à une distance radiale De déterminée, constante ou variable, de la contre-électrode.
Description
La présente invention appartient au domaine des techniques de traitement électrochimique des métaux, et plus particulièrement au domaine des procédés pour la réalisation de revêtements protecteurs à la surface de pièces métalliques.
Elle a pour objet un procédé d'oxydation pour la fabrication d'un revêtement sur un substrat métallique, notamment en aluminium ou alliage d'aluminium. Elle a également pour objet une installation de traitement comprenant un outillage dédié, permettant le traitement de pièces pleines ou creuses.
On sait que l'aluminium et plus généralement les métaux présentant des propriétés de valve, ainsi que leurs alliages, possèdent une résistance mécanique intéressante au regard de leur faible poids. Ils sont de ce fait largement utilisés pour la fabrication de pièces devant subir de fortes contraintes de déformation, comme c'est le cas dans les industries mécaniques, l'aéronautique, la construction automobile, etc... Cependant, ces métaux ne sont pas particulièrement durs ni résistants aux agressions physico-chimiques, ce qui oblige à les protéger par des revêtements adaptés, afin d'accroître leurs propriétés de dureté, de résistance à la corrosion et à l'abrasion.
Différents procédés de revêtement reposant sur des processus électrolytiques sont connus. La plus répandue actuellement dans l'industrie est l’anodisation sulfurique, en raison de son faible coût de mise en œuvre (électrolyte, contrôle des paramètres) et de son large domaine d’utilisation. Cependant, les revêtements produits sont des oxydes amorphes, limités en épaisseur et ne présentant qu'une dureté moyenne (environ 500 Hv au maximum). En outre, certains électrolytes contiennent des composés particulièrement toxiques et désormais proscrits par la législation européenne REACH, comme le chrome VI.
On connaît aussi les procédés d'oxydation anodique par décharges de micro-arcs qui permettent d'obtenir des revêtements de type céramique offrant une protection contre l'abrasion sévère et la corrosion de pièces en métal. L'oxydation micro-arc (OMA, ou selon l'acronyme anglais MAO, aussi appelée PEO pour plasma electrolytic oxidation) consiste à immerger une pièce à traiter dans un bain électrolytique et à imposer une différence de potentiel entre la pièce (substrat) et une contre-électrode. L’énergie électrique imposée va provoquer des claquages diélectriques de la couche d’oxyde recouvrant naturellement le substrat et générer des canaux de décharge dans lesquels l'électrolyte s'engouffre, produisant un refroidissement brutal et la formation d'une couche d'oxyde. Le processus se manifeste par l’apparition de micro-décharges ou micro-arcs luminescents répartis sur toute la surface du substrat, ainsi que par un dégagement gazeux. Le résultat est la formation d'un revêtement croissant dans les deux directions (vers l'intérieur et vers l'extérieur) à partir de la surface du substrat.
Depuis les années 2000, divers procédés ont été développés jouant sur les paramètres de traitement, les principaux étant la fréquence du signal électrique, la densité du courant, la durée d'immersion des pièces dans le bain et la température, pour obtenir des revêtements plus résistants chimiquement et physiquement, et pour optimiser les conditions de fabrication, notamment la vitesse de production ou les dépenses énergétiques.
Par exemple, FR 2 808 291 propose un procédé micro-arc de revêtement d'un métal ayant des propriétés de semi-conducteur, dans lequel on applique aux électrodes une tension de signal de forme triangulaire ou trapézoïdale, engendrant un courant qui est contrôlé dans son intensité, sa forme et son rapport entre l'intensité positive et l'intensité négative, avec de plus un paramètre variable en fréquence.
FR 2 877 018 décrit un procédé d'oxydation par micro-arc pour la fabrication d'un revêtement de faible porosité sur des pièces en aluminium et en alliage d'aluminium. Pour ce faire, les pièces sont plongées dans un bain électrolytique dont la température est voisine de zéro et un courant électrique alternatif de tension supérieure à 600 V est appliqué. Une fusion puis un compactage se produit à la surface du substrat.
Dans FR 3 014 912, des pièces en alliages de niobium sont traitées par oxydation micro-arc pour améliorer leur résistance à la corrosion et à l'oxydation à hautes températures (supérieure à 1000°C). Les pièces sont soumises à une succession de cycles de courant comportant une phase où le courant est constant d'intensité positive, et une phase où le courant est constant d'intensité négative, et dans lesquels la quantité de charge positive et la quantité de charge négative sont dans un rapport de 0,8 à 1,6.
On sait que l'aluminium et ses alliages sont des matériaux de choix pour l'industrie, notamment aéronautique. Les pièces utilisées dans la construction des aéronefs sont soumises à des conditions limites sévères : milieux acides ou alcalins accentuant la corrosion, abrasion par frottement des pièces entre elles accrue par un environnement extérieur agressif du fait de la présence de sable et de poussières, forte variation des températures. Le revêtement de surface des pièces doit donc répondre à un cahier des charges très strict en termes de résistance mécanique et d'inertie chimique. La dureté et la résistance à l'usure sont recherchées en même temps qu'une haute résistance à la corrosion, une bonne cohésion et une adhésion parfaite au substrat. La tenue dans des gammes étendues de températures pouvant aller de -100°C à +300°C est impérative pour les applications aéronautiques.
Ces dernières années, pour répondre à de nouveaux défis technologiques, les exigences des constructeurs se sont accrues. Il existe donc un besoin de disposer de pièces en aluminium ou ses alliages, dotées de propriétés améliorées.
Le but de la présente invention est de répondre à ce besoin en proposant un procédé électrolytique d'oxydation micro-arc en vue d'obtenir un revêtement de haute performance de type céramique à la surface d'une pièce métallique, en particulier en aluminium ou en alliage d'aluminium. Un autre but de l'invention est de fournir un équipement conçu pour la mise en œuvre optimale de ce procédé sur divers types de pièces. En particulier, un objectif de l'invention est de permettre de traiter des pièces creuses tant sur leur face externe que sur leur face interne. Un autre but de l'invention est de réaliser des couches de grande dureté, ayant une épaisseur élevée et homogène sur toute la surface traitée. Un autre but de l'invention est de réduire le temps de croissance de la couche protectrice, tout en diminuant l'énergie électrique consommée et les coûts de production. En particulier, il est recherché une méthode qui permette de se dispenser d’étapes de pré-traitement et de post-traitement des pièces. Encore un but de l'invention est de disposer d'un procédé respectueux de l’environnement et se conformant à la règlementation en vigueur.
Les travaux réalisés par le demandeur l'ont conduit à développer un procédé de traitement électrochimique OMA des pièces à base d'aluminium mettant en jeu des paramètres électriques du processus d'oxydation micro-arc alliés à des paramètres conformationnels de l'outillage, notamment liés à l'agencement des électrodes entre elles, ce qui permet de définir et de contrôler les conditions de formation et la structure de la couche de protection. On peut ainsi optimiser les réactions physico-chimiques de transformation du métal constitutif de la pièce et produire des revêtements de forte épaisseur et de haute dureté, avec une porosité modulable.
Claims (12)
- Installation de traitement électrolytique par oxydation micro-arc de pièces (3) allongées s'étendant selon un axe longitudinal Ap entre une première et une seconde extrémités, chaque pièce (3) à traiter faisant fonction de première électrode, l’installation comprenant :
- une cuve (1) apte à contenir un bain électrolytique (2) constitué d’une solution aqueuse,
- un outillage (100) comportant un support (10) et au moins une contre-électrode (4) de forme,
- un générateur (5) comprenant des moyens de connexion électrique à chaque pièce (3) et à chaque contre-électrode (4), ledit générateur étant apte à délivrer un signal électrique pour soumettre chaque pièce (3) à un traitement de surface,
l’installation étant caractérisée en ce que le support (10) est doté de moyens d'assemblage d'au moins une pièce (3) avec une contre-électrodes (4) de forme à une distance De déterminée l'une de l'autre, lesdits moyens d’assemblage comprenant un socle (11) doté de moyens de fixation de la première extrémité de chaque pièce (3), et des moyens de fixation de la seconde extrémité de chacune desdites pièces, lesdits moyens de fixation étant maintenus ensemble dans deux plans parallèles entre eux par au moins une tige (40) dotée de moyens de blocage en compression desdites pièces selon leur axe longitudinal Ap,
et en ce que chaque contre-électrode (4) adopte la forme d’un cylindre d'axe longitudinal Ac, et est fixée au socle (11) du support (10) de manière que son axe longitudinal Ac est confondu avec l'axe longitudinal Ap de la pièce (3) correspondante, de sorte que la surface de chacune desdites pièces est à une distance radiale De déterminée, constante ou variable, de la contre-électrode (4). - Installation selon la revendication 1, pour le traitement de la surface externe de pièces allongées s'étendant selon un axe longitudinal Ap entre une première et une seconde extrémités (32, 33), caractérisée en ce que l’outillage (100) comprend :
- un support (10) comprenant un socle (11) dans lequel sont ménagés des moyens de fixation aptes à recevoir chacun la première extrémité (32) d'une pièce (3), un châssis (12) supérieur dans lequel sont ménagés des moyens de fixation aptes à recevoir chacun la seconde extrémité (33) de ladite pièce, le socle (11) et le châssis (12) étant maintenus ensemble dans deux plans parallèles entre eux par une série de tiges (40) dotées de moyens de blocage en compression desdites pièces selon leur axe longitudinal Ap,
- des contre-électrodes (4) adoptant la forme de cylindres creux d'axe longitudinal Ac, aptes chacune à recevoir une pièce (3) dans sa lumière centrale, chaque contre-électrode (4) étant fixée au socle (11) du support (10) de manière que son axe longitudinal Ac est confondu avec l'axe longitudinal Ap de la pièce correspondante, de sorte que chacune desdites pièces entoure une contre-électrode (4) à une distance radiale De déterminée de celle-ci, constante ou variable, et
- des moyens de connexion électrique desdites pièces et desdites contre-électrodes au générateur (5). - Installation selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le support (10) comprend le socle (11) dans lequel sont ménagés des logements (16) borgnes aptes à recevoir en coulissement chacun la première extrémité (32) d'une pièce (3), le châssis (12) supérieur comportant des percements (19) en regard de chaque logement (16), aptes à recevoir chacun la seconde extrémité (33) de ladite pièce, soit directement, soit par l'intermédiaire d'un élément de jonction.
- Installation selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le socle (11) est formé d'une plaque supérieure (14) et d'une plaque inférieure (13) entre lesquelles est enserrée une platine (15) en métal électriquement conducteur, la plaque supérieure (14) comportant les logements (16) dont le fond est fermé par ladite platine de sorte que ladite au moins une pièce (3), une fois insérée dans un logement (16), est en contact avec la platine (15), la plaque inférieure (13) étant munie de plots de contact électrique entre ladite platine et les moyens de connexion au générateur (5).
- Installation selon la revendication 1 pour le traitement de la surface intérieure de pièces tubulaires creuses s'étendant selon un axe longitudinal Ap entre deux bordures d'extrémité (42, 43), caractérisée en ce que l'outillage (100) comprend :
- un support (10) comprenant un caisson (110) parallélépipédique formé de parois latérales (112), deux parois de façade (114), d'un socle (11) et d'un capot (113), les faces internes dudit socle et dudit capot étant dotées d'emplacements circulaires aptes chacun à recevoir en appui une bordure d'extrémité (42, 43) d'une pièce (3) tubulaire creuse, le socle (11) et le capot (113) étant maintenus ensemble dans deux plans parallèles entre eux par au moins une tige (40) coopérant avec des moyens de blocage en compression desdites pièces selon leur axe longitudinal Ap,
- des contre-électrodes (4) adoptant la forme de cylindres d'axe Ac, aptes chacune à être placée dans la lumière d'une desdites pièces tubulaires, chaque contre-électrode (4) étant fixée audit support de manière que son axe longitudinal Ac est confondu avec l'axe longitudinal Ap de la pièce correspondante, de sorte que ladite pièce entoure la contre-électrode correspondante à une distance radiale De de celle-ci, constante ou variable, et
- des moyens de connexion électrique desdites pièces et desdites contre-électrodes au générateur (5). - Installation selon la revendication précédente, caractérisée en ce que chaque emplacement circulaire du socle (11) et du capot (113) est traversé en son centre par une tige (40), chacune dotée d'un segment d'extrémité inférieur (44) et d'un segment d'extrémité supérieur (45) s'étendant de part et d'autre à l'extérieur du caisson (110) et coopérant avec lesdits moyens de blocage en compression des pièces (3).
- Installation selon la revendication précédente, caractérisée en ce que les moyens de blocage coopérant avec chaque tige (40) comprennent une barrette inférieure (46) et une barrette supérieure (47) prenant appui contre les faces externes respectives du socle (11) et du capot (113), lesdites barrettes comportant un trou taraudé dans lequel sont engagés les segments d'extrémité (44, 45), filetés, de ladite tige.
- Installation selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisée en ce que chacune des tiges (40) est dotée d'un segment médian (48) fileté, et chaque contre-électrode (4) comporte un perçage (49) taraudé pratiqué selon son axe Ac dans lequel est engagée ladite tige par vissage, de sorte que ladite contre-électrode est maintenue coaxiale dans la lumière centrale d'une pièce (3) à une hauteur déterminée.
- Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les contre-électrodes (4) adoptent chacune une conformation complémentaire de celle de la pièce (3) à traiter ou d'une zone de ladite pièce devant être traitée, placée en regard de ladite contre-électrode, la surface de ladite pièce ou zone à traiter se trouvant en tout point à une distance radiale De, constante ou variable, de ladite contre-électrode comprise entre 5 mm et 50 mm.
- Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend un système de régulation de la température du bain électrolytique (2), comportant une boucle de recirculation (200) externe dotée d'un échangeur de chaleur (230), de capteurs de température (221) et d'une pompe (220) apte à imposer la circulation permanente d'une fraction de solution électrolytique via ledit échangeur de chaleur, entre un orifice de sortie (201) pratiqué à la base de la cuve (1) à proximité d'une première paroi latérale de ladite cuve, et un déversoir (202) placé au-dessus de ladite cuve à faible distance d'une deuxième paroi latérale de ladite cuve opposée à ladite première paroi, le déversoir comprenant une rampe (203) de distribution horizontale comportant une pluralité de buses (204) par lesquelles de la solution électrolytique tempérée peut s'écouler.
- Installation selon l'une des revendications 5 à 8 prises en combinaison avec la revendication 10, caractérisée en ce que le système de régulation de la température du bain électrolytique (2) comprend en outre un dispositif de régulation de la température dans le caisson (110), lequel comprend au moins un trou d'entrée (205) de solution électrolytique ménagé dans une paroi du caisson, relié à une buse (204) par un conduit (206), et au moins un trou d'évacuation (207) ménagé à distance dans une autre paroi dudit caisson.
- Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les pièces (3) à traiter faisant fonction de première électrode sont en métal choisi parmi l’aluminium, le titane, le magnésium, le zirconium, ou en alliage à base d'aluminium.
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2021
- 2021-06-03 FR FR2105864A patent/FR3111146A1/fr active Pending
Patent Citations (6)
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