FR3139144A1 - Procédé de dépôt d'un revêtement en oxyde d'aluminium - Google Patents
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Abstract
Procédé de dépôt d’un revêtement en oxyde d’aluminium La présente invention concerne un procédé de dépôt sur un substrat métallique d’un revêtement continu d’oxyde d’aluminium par dépôt chimique sous pression et en température assisté par un chauffage en induction comprenant l’étape de synthèse solvothermale à partir d’un précurseur de l’oxyde d’aluminium dissout dans un mélange d’eau et de co-solvant chauffés par induction à une température comprise entre 400°C et 700°C et à une pression comprise entre 1 MPa et 25 MPa. Elle concerne en outre un dispositif (100) de dépôt d’un oxyde d’aluminium sur un substrat métallique (104) par la voie de dépôt chimique sous pression et en température comprenant :- une enceinte (102) délimitée par des parois formant un volume fermé (V), destinée à contenir un fluide sous pression et en température et dont le matériau des parois est transparent aux rayonnements électromagnétiques ;- un support (106) également transparent aux rayonnements électromagnétiques destiné à supporter le substrat métallique (104) situé à l’intérieur de l’enceinte ; - un dispositif de chauffage par induction (109) entourant l’extérieure de l’enceinte (102) de façon à pouvoir chauffer le substrat métallique (104) placé sur le support (106)- une entrée (116) située dans la partie supérieure de l’enceinte (102) et configurée pour permettre l’introduction d’un matériau précurseur préalablement dissout dans l’eau à l’intérieur de l’enceinte (102) ;- une entrée (120) située dans la partie inférieure de l’enceinte (102) et configurée pour permettre l’introduction d’un fluide à l’intérieur de l’enceinte (102) ;- au moins une sortie (124) configurée pour purger le volume (V) ;- une fenêtre saphir (112) disposée sur la partie supérieure de l’enceinte, permettant le contrôle de la température du substrat métallique (104) grâce à un pyromètre bichromatique (114) disposé à l’extérieur de l’enceinte ;- un ensemble de joints en polymère (200) ;- un ensemble métallique (202) vissé et contraint par des colonnes métalliques (204) dans lequel circule un fluide contrôlé en température à 20°C par un cryostat (206) . Figure pour l’abrégé : Fig. 1.
Description
La présente invention se rapporte au domaine général des revêtements en oxyde d’aluminium (également dénommé alumine) et plus particulièrement des revêtements pour alliages métalliques, et encore plus particulièrement elle concerne un dispositif et un procédé de dépôt de revêtements en oxyde d’aluminium par la voie dépôt chimique sous pression et en température.
Différents alliages métalliques tels que les alliages de titane, TiAl, ou les alliages base nickel nécessitent une protection contre l’oxydation et/ou la corrosion pour maintenir leurs performances à des températures d’emploi plus élevées.
Parmi les nombreuses solutions qui peuvent être envisagées, une couche d’alumine alpha est la meilleure solution possible dans la majorité des cas. En effet, l’alumine alpha présente d’excellentes performances de résistance à l’oxydation et à la corrosion. De plus, le coefficient de diffusion de l’oxygène dans sa forme cristalline alpha est faible, ce qui la rend relativement imperméable à l’oxygène. C’est aussi la forme d’alumine la plus stable à haute température.
Cependant, le domaine de température nécessaire usuellement pour faire croître de l’alumine alpha (germinations homogène et hétérogène) est de l’ordre de 900°C et plus. En effet l’oxyde d’aluminium alpha est classiquement élaboré par dépôt chimique en phase vapeur (« Chemical Vapor Deposition » ou « CVD »), dépôt physique en phase vapeur (« Physical Vapor Deposition » ou « PVD ») ou par sol-gel. Les méthodes de CVD et sol-gel utilisent toutes deux des températures supérieures à 1000°C pour la stabilisation de la phase alpha de l’oxyde d’aluminium. Cette température n’est pas compatible avec la plupart des alliages métalliques. Quant à la PVD, cette technique permet de stabiliser la phase désirée à plus faible température (de 480 °C à 580 °C), même si, généralement, le revêtement possède des phases mixtes d’oxyde d’aluminium métastables telles que la phase gamma. L’inconvénient de la PVD est son aspect directionnel qui n’offre pas la possibilité de revêtir des substrats de géométries complexes comme les aubes de turbine, au contraire des techniques de dépôts par voies chimiques. De plus, ces méthodes souffrent généralement d’une vitesse de dépôt relativement faible.
Différentes études ont été menées pour tenter d’obtenir une alumine alpha à partir d’une alumine d’une phase différente. Cependant, la conversion d’une alumine d’une phase quelconque en alumine alpha engendre un changement de volume important qui impacte les performances mécaniques du revêtement, voire de la pièce revêtue.
Il est certes connu d’utiliser des températures plus faibles pour obtenir de l’alumine alpha, mais uniquement dans le cadre de la germination homogène qui permet la synthèse de matériaux sous forme de poudres et non sous forme de revêtement. L’oxyde d’aluminium alpha est ainsi stabilisé dans l’eau à relativement faible pression (à partir de 1 MPa) et à une température comprise entre 374 °C et 500 °C, selon le diagramme binaire Al2O3-H2O.
Par synthèse hydrothermale, l’oxyde d’aluminium est élaboré en deux étapes successives. La première consiste en l’hydrolyse par l’eau d’un précurseur d’aluminium afin de former un oxyde d’aluminium hydraté, la boehmite ϒ-AlO(OH) : Al(NO3)3+ 2H2O ----> γ-AlOOH + 3HNO3(Eq. 1)
La seconde étape consiste en la déshydratation de cette phase intermédiaire qu’est la boehmite afin d’obtenir l’oxyde d’aluminium alpha :
2γ-AlOOH ---->α-Al2O3+ H2O (Eq.2)
2γ-AlOOH ---->α-Al2O3+ H2O (Eq.2)
D’après la littérature, la déshydratation est l’œuvre de phénomènes successifs d’hydroxylation/déshydroxylation provoquant une réorganisation de la structure à l’état solide de la boehmite vers l’oxyde d’aluminium alpha.
Toutefois comme indiqué précédemment, la synthèse hydrothermale sous pression permet l’élaboration d’oxyde d’aluminium alpha mais sous forme de poudres et non pas de revêtements.
La seule solution qui permette aujourd’hui la croissance d’une couche d’alumine sur le substrat, en particulier dans le cas de TiAl, est le recours à l’effet halogène, comme le décrit par exemple la demande de brevet WO2020/229747, qui nécessite de fait l’usage de gaz halogénés, ce qui peut poser des problèmes de toxicité.
Ainsi il existe un besoin de trouver un nouveau procédé permettant le dépôt d’une couche d’alumine alpha sur un substrat de géométrie complexe, tel qu’une aube de turbine, à une température compatible avec la plupart des alliages métalliques et en particulier inférieure à 850°C, sans utilisation de gaz halogénés et ayant des vitesses de dépôt suffisamment importantes.
Les inventeurs ont découvert de façon surprenante qu’il était possible de réaliser un tel dépôt en utilisant la synthèse solvothermale assistée par un chauffage en induction ce qui permet ainsi un dépôt chimique sous pression et en température assisté par un chauffage en induction. Les inventeurs ont découvert qu’un tel procédé permettait d’obtenir un dépôt épais (supérieur à 1 µm, avantageusement supérieur à 10 µm) d’alumine alpha et était en outre adapté pour le dépôt d’autre type d’oxyde d’aluminium tel que les oxydes d’aluminium métastables, sur n’importe quel substrat métallique. Il évite en outre l’utilisation de gaz halogénés et présente une vitesse de dépôt importante.
Ainsi l’utilisation d’un procédé plus performant (vitesse importante) selon l’invention est également avantageuse pour la réduction de l’empreinte environnementale de la Déposante (demanderesse). En effet,
- Il permet d’accroitre et d’optimiser la capacité de fabrication, de production et/ou de réparation et, par conséquence, de réduire de manière significative les émissions de gaz à effet de serre associées. Cette optimisation permet également de diminuer la consommation de matière première ;
- Il permet d’allonger la durée de vie des composants et, par conséquence, de réduire le nombre de remplacement par des pièces neuves ; et
- Il permet de diminuer significativement le nombre de pièces mises au rebut pouvant être difficilement recyclables.
- Il permet d’accroitre et d’optimiser la capacité de fabrication, de production et/ou de réparation et, par conséquence, de réduire de manière significative les émissions de gaz à effet de serre associées. Cette optimisation permet également de diminuer la consommation de matière première ;
- Il permet d’allonger la durée de vie des composants et, par conséquence, de réduire le nombre de remplacement par des pièces neuves ; et
- Il permet de diminuer significativement le nombre de pièces mises au rebut pouvant être difficilement recyclables.
De plus, la solution a également pour avantage de diminuer son apport énergétique (eau, électricité, …) et/ou l’utilisation de quelconques produits chimiques contraires aux normes environnementales et réglementations en vigueur.
La présente invention concerne donc un procédé de dépôt sur un substrat métallique d’un revêtement continu d’oxyde d’aluminium par dépôt chimique sous pression et en température assisté par un chauffage en induction comprenant une étape de synthèse solvothermale à partir d’un précurseur de l’oxyde d’aluminium dissout dans un mélange d’eau et de co-solvant chauffés par induction à une température comprise entre 400°C et 700°C et à une pression comprise entre 1 MPa et 25 MPa.
Dans la présente demande, les expressions « compris(e) entre ... et ... », doit s'entendre bornes incluses sauf mention explicite du contraire.
Le substrat métallique selon l’invention est en particulier un substrat métallique comprenant du titane, plus particulièrement en alliage de titane, encore plus particulièrement en alliage titane-aluminium, par exemple à base d'aluminure de titane, comme un alliage gamma-TiAI.
Le substrat métallique selon l’invention peut constituer en une pièce de turbomachine, et par exemple une pièce de turbomachine aéronautique. Le substrat est avantageusement destiné à être utilisé en atmosphère oxydante et à une température supérieure ou égale à 800°C. Le substrat peut par exemple être une pièce de turbine. Il peut par exemple s'agir d'une aube de turbine ou d'un secteur d'anneau de turbine. Il peut ainsi s’agir d’une pièce à géométrie complexe, c’est-à-dire non plane, en particulier 3D. Mais le procédé peut également être mis en œuvre sur un substrat à géométrie plane.
Dans le cadre de la présente invention, un fluide sous pression est un fluide dont la pression est supérieure à la pression atmosphérique, en particulier à une pression comprise entre 1 MPa et 25 MPa, avantageusement entre 6 MPa et 10 MPa.
Dans le cadre de la présente ’invention, un dépôt chimique sous pression et en température, est tout dépôt par voie chimique à une pression supérieure à la pression atmosphérique, en particulier à une pression comprise entre 1 MPa et 25 MPa, avantageusement entre 6 MPa et 10 MPa, et à une température supérieure à la température ambiante, avantageusement inférieure à 850°C, en particulier à une température comprise entre 400°C et 700°C.
Le précurseur de l’oxyde d’aluminium selon l’invention est tout précurseur soluble dans l’eau, tel que le nitrate d’aluminium Al(NO3)3ou les sels d’aluminium (comme Al2(SO4)3).avantageusement il s’agit d’un nitrate d’aluminium Al(NO3)3.
Le co-solvant selon l’invention est choisi parmi les alcools, en particulier l’éthanol, l’azote, le dioxyde de carbone, l’argon et leurs mélanges, avantageusement il s’agit de l’azote. Le co-solvant permet de mieux conduire la chaleur et donc de chauffer plus facilement le substrat.
Dans le cadre du procédé selon l’invention, c’est l’eau sous pression et en température qui permettra l’élaboration de l’alumine à partir du précurseur qui y est dissout et donc son dépôt sur le substrat.
Avantageusement le ratio molaire eau/co-solvant, en particulier eau/azote, est compris entre 0,1 et 50%. En particulier le débit d’eau est avantageusement compris entre 0,1 et 10 mL/min, plus particulièrement il est de 1,3 mL/min. Dans un mode de réalisation, le débit du co-solvant, en particulier de l’azote, est compris entre 0,1 et 10 mL/min, plus particulièrement il est de 2 mL/min.
La température de l’étape de synthèse solvothermale est comprise entre 400°C et 700°C, avantageusement entre 500°C et 700°C, plus avantageusement entre 550°C et 680°C, encore plus avantageusement entre 600°C et 650°C, en particulier elle est de 630°C.
La pression de l’étape de synthèse hydrothermale est comprise entre 1 MPa et 25 MPa, avantageusement entre 5 MPa et 20 MPa, plus avantageusement entre 7 MPa et 15 MPa, en particulier elle est de 10MPa.
L’oxyde d’aluminium du revêtement continu obtenu à la surface du substrat métallique par le procédé selon l’invention va dépendre de la température et de la pression utilisée, du co-solvant et de la quantité d’eau utilisée lors de la réaction (tel que le ratio eau/co-solvant). En effet la déshydratation hydrothermale (ou synthèse solvothermale) mène à l’alumine alpha alors que la déshydratation sous air mène à d’autres phases de l’alumine. Avantageusement, l’oxyde d’aluminium du revêtement continu est un oxyde d’aluminium métastable (tel que l’oxyde d’aluminium kappa ou l’oxyde d’aluminium thêta ou l’oxyde d’aluminium gamma), un oxyde d’aluminium alpha ou un mélange de ces oxydes (un oxyde mixte), avantageusement il s’agit d’un oxyde d’aluminium alpha
La synthèse à l’aide du précurseur Al(NO3)3pour obtenir un revêtement continu d’oxyde d’aluminium alpha est avantageusement mise en œuvre à une pression de 10MPa, une température de 630°C avec un mélange eau/azote (l’azote étant le co-solvant), un débit d’eau de 1,3ml/min et un débit d’azote de 2ml/min.
Dans un mode de réalisation avantageux, le revêtement continu d’oxyde d’aluminium obtenu est épais, c’est-à-dire d’épaisseur supérieure à 1 µm, en particulier d’épaisseur d’au moins 2 µm, plus particulièrement d’épaisseur comprise entre 1 µm et 75 µm, encore plus particulièrement d’épaisseur supérieure à 10 µm, avantageusement d’épaisseur comprise entre 50 µm et 72 µm.
Dans un mode de réalisation avantageux, la vitesse de dépôt du revêtement est comprise entre 100 à 500 nm/min, avantageusement elle est de 300nm/min.
Dans un mode de réalisation avantageux, le procédé selon l’invention est mis en œuvre au sein d’un réacteur de dépôt chimique sous pression et en température assisté par chauffage à induction.
Avantageusement le réacteur de dépôt chimique sous pression et en température assisté par chauffage à induction utilisable dans le procédé selon l’invention est tel que décrit dans la demande FR3112972, plus particulièrement dans le cas où la pression est comprise entre 1MPa et 10MPa.
Dans un autre mode de réalisation avantageux, le réacteur de dépôt chimique sous pression et en température assisté par chauffage à induction utilisable dans le procédé selon l’invention est le dispositif 100 de dépôt d’un oxyde d’aluminium sur un substrat métallique 104 tel que décrit ci-après.
Dans un mode de réalisation avantageux, le procédé selon la présente invention comprend les étapes suivantes :
a- introduction du substrat métallique à revêtir dans un réacteur de dépôt chimique sous pression et en température assisté par chauffage à induction ;
b- introduction dans le réacteur du précurseur de l’oxyde d’aluminium préalablement dissout dans l’eau et du co-solvant ;
c- mise en œuvre de la synthèse solvothermale à partir dudit précurseur de l’oxyde d’aluminium par chauffage par induction à une température comprise entre 400°C et 700°C et à une pression comprise entre 1 MPa et 25 MPa, avantageusement entre 6 MPa et 10 MPa, du précurseur de l’oxyde d’aluminium dissout dans le mélange d’eau et de co-solvant ;
d- récupération du substrat revêtu d’un revêtement continu d’oxyde d’aluminium.
a- introduction du substrat métallique à revêtir dans un réacteur de dépôt chimique sous pression et en température assisté par chauffage à induction ;
b- introduction dans le réacteur du précurseur de l’oxyde d’aluminium préalablement dissout dans l’eau et du co-solvant ;
c- mise en œuvre de la synthèse solvothermale à partir dudit précurseur de l’oxyde d’aluminium par chauffage par induction à une température comprise entre 400°C et 700°C et à une pression comprise entre 1 MPa et 25 MPa, avantageusement entre 6 MPa et 10 MPa, du précurseur de l’oxyde d’aluminium dissout dans le mélange d’eau et de co-solvant ;
d- récupération du substrat revêtu d’un revêtement continu d’oxyde d’aluminium.
Dans un mode de réalisation avantageux, l’eau et le co-solvant sont introduits séparément dans le réacteur lors de l’étape b).
Dans un mode de réalisation particulier, le procédé comprend une étape intermédiaire a1), située entre les étapes a) et b), de chauffage préalable du réacteur à une température comprise entre 400°C et 700°C et de mise sous pression à une pression comprise entre 1 MPa et 25 MPa.
Dans un mode de réalisation avantageux, le procédé est un procédé semi-continu ou discontinu (ou mode fermé), avantageusement semi-continu.
Dans le cadre d’un procédé semi-continu, le précurseur de l’oxyde d’aluminium préalablement dissout dans l’eau et le co-solvant sont introduits en continu, en particulier lors de l’étape b) du procédé selon l’invention, circulent en continu, en particulier au sein du réacteur selon la présente invention préalablement chauffé et mis sous pression, et sont purgés en continu. En revanche le substrat est fixe. Il est donc introduit dans le réacteur, avantageusement à l’étape a), préalablement à l’introduction en continu du précurseur de l’oxyde d’aluminium préalablement dissout dans l’eau et du co-solvant, avantageusement lors de l’étape b) et à la mise sous pression et au chauffage du réacteur. Le substrat revêtu est ensuite récupéré, une fois le procédé mis en œuvre et le réacteur refroidi à température ambiante et dépressurisé. Lors du procédé semi-continu le dépôt croît au fur et à mesure de l’ajout et de la réaction du précurseur, de l’eau et du co-solvant. Ce mode semi-continu permet de contrôler et d’ajuster précisément le dépôt et les quantités de précurseur, d’eau et de co-solvant introduits pour un meilleur contrôle de la cinétique de formation et croissance d’oxyde d’aluminium à la surface du substrat métallique.
Dans le cadre d’un procédé discontinu (ou mode fermé), la quantité de fluides (précurseurs + co-solvant + eau) et le substrat sont fixes et les fluides et le substrat sont introduits préalablement dans le réacteur selon l’invention. Le réacteur est ensuite chauffé et mis sous pression afin de mettre en œuvre la synthèse solvothermale. En général, la quantité de co-solvant et d’eau régit la pression maximale atteignable en fonction de la température appliquée. Aucun précurseur, eau ou co-solvant n’est introduit lors de la croissance de l’oxyde d’aluminium sur la surface du substrat métallique. Une fois le dépôt effectué, le réacteur est refroidi à température ambiante et dépressurisé afin de pouvoir récupérer le substrat revêtu. Les fluides sont également purgés.
Avantageusement la durée du procédé selon l’invention est comprise entre 30 min et 180 min.
La présente invention concerne en outre un dispositif de dépôt d’un oxyde d’aluminium (en particulier tel que décrit ci-dessus) sur un substrat métallique par la voie de dépôt chimique sous pression et en température comprenant :
- une enceinte délimitée par des parois formant un volume fermé (V), destinée à contenir un fluide sous pression et en température (en particulier dans les conditions de températures et de pressions telles que décrites ci-dessus) et dont le matériau des parois est transparent aux rayonnements électromagnétiques ;
- un support également transparent aux rayonnements électromagnétiques destiné à supporter le substrat métallique situé à l’intérieur de l’enceinte ;
- un dispositif de chauffage par induction entourant l’extérieure de l’enceinte de façon à pouvoir chauffer le substrat métallique placé sur le support ;
- une entrée située dans la partie supérieure de l’enceinte et configurée pour permettre l’introduction du matériau précurseur préalablement dissout dans l’eau, en particulier tel que décrit ci-dessus, à l’intérieur de l’enceinte;
- une entrée située dans la partie inférieure de l’enceinte et configurée pour permettre l’introduction d’un fluide (ou co-solvant en particulier tel que décrit ci-dessus) à l’intérieur de l’enceinte ;
- au moins une sortie configurée pour purger le volume fermé (V) ;
- une fenêtre saphir disposée sur la partie supérieure de l’enceinte, permettant le contrôle de la température du substrat métallique grâce à un pyromètre bichromatique disposé à l’extérieur de l’enceinte ;
- un ensemble de joints en polymère ;
- un ensemble métallique vissé et contraint par des colonnes métalliques dans lequel circule un fluide contrôlé en température par un cryostat .
- une enceinte délimitée par des parois formant un volume fermé (V), destinée à contenir un fluide sous pression et en température (en particulier dans les conditions de températures et de pressions telles que décrites ci-dessus) et dont le matériau des parois est transparent aux rayonnements électromagnétiques ;
- un support également transparent aux rayonnements électromagnétiques destiné à supporter le substrat métallique situé à l’intérieur de l’enceinte ;
- un dispositif de chauffage par induction entourant l’extérieure de l’enceinte de façon à pouvoir chauffer le substrat métallique placé sur le support ;
- une entrée située dans la partie supérieure de l’enceinte et configurée pour permettre l’introduction du matériau précurseur préalablement dissout dans l’eau, en particulier tel que décrit ci-dessus, à l’intérieur de l’enceinte;
- une entrée située dans la partie inférieure de l’enceinte et configurée pour permettre l’introduction d’un fluide (ou co-solvant en particulier tel que décrit ci-dessus) à l’intérieur de l’enceinte ;
- au moins une sortie configurée pour purger le volume fermé (V) ;
- une fenêtre saphir disposée sur la partie supérieure de l’enceinte, permettant le contrôle de la température du substrat métallique grâce à un pyromètre bichromatique disposé à l’extérieur de l’enceinte ;
- un ensemble de joints en polymère ;
- un ensemble métallique vissé et contraint par des colonnes métalliques dans lequel circule un fluide contrôlé en température par un cryostat .
Le dispositif de l’invention permet de former un revêtement continu, en particulier épais (supérieur à 1 µm), plus particulièrement tels que décrits ci-dessus, d’oxyde d’aluminium sur des substrats métalliques plans ou sur des substrats métalliques à géométrie complexe, en particulier tels que décrits ci-dessus.
Le dispositif de chauffage par induction selon l’invention, avantageusement constitué par un générateur d’induction et une boucle d’induction permet de ne chauffer que substrat métallique tout en gardant une température sur les parois inférieure à la température du substrat métallique. En effet, le fait d’avoir des parois transparentes aux rayonnements électromagnétiques permet d’éviter les couplages inductifs avec ces parois et de les conserver à une température plus froide que celle du substrat métallique afin de contrôler les mouvements de convection au sein de l’enceinte.
Le chauffage par induction permet également d’avoir un meilleur rendement que des chauffages résistifs car il permet de chauffer également toute la surface du substrat métallique à géométrie complexe et ce, de manière plus rapide et plus homogène ou encore en limitant l’échauffement le plus élevé à une épaisseur proche de l’extrême surface du substrat.
Selon une caractéristique particulière de l’invention, le matériau des parois de l’enceinte est une céramique. La majorité des céramiques est transparente aux rayonnements électromagnétiques, donc les céramiques sont d’excellents candidats pour former les parois. Avantageusement il s’agit d’une céramique en nitrure de silicium Si3N4.
Cette céramique est résistante à la pression grâce à un ensemble de joints en polymère (tels que PEEK (PolyEtherEtherKetone), Viton® (Caoutchouc au carbone fluoré (FKM) commercialisé par la société DuPont), EPDM (éthylène-propylène-diène monomère) et/ou Kalrez® (Caoutchouc perfluoré FFKM FFPM. commercialisé par la société DuPont) et un ensemble métallique en particulier cylindrique vissé et contraint par des colonnes métalliques, en particulier au nombre de 6 réparties à équidistance les unes des autres, dans lequel circule un fluide tel que l’éthylène glycol, contrôlé en température à 20°C par un cryostat.
Avantageusement, le dispositif selon l’invention ne comprend pas de double paroi.
De façon avantageuse, les entrées du dispositif sont équipées d’une pompe, en particulier HPLC pour l’entrée de l’eau et Isco pour l’entrée du fluide. Dans le cas où le fluide est le CO2, la pompe Isco est remplacée par une pompe dédiée à l’injection de dioxyde de carbone liquide qui doit donc être refroidi à 1 °C à l’aide d’un cryostat ajouté au niveau de la pompe.
De façon avantageuse, l’entrée située dans la partie inférieure de l’enceinte et configurée pour permettre l’introduction d’un fluide est une entrée pour le co-solvant tel que décrit ci-dessus dans le cadre du procédé, fluide qui servira, en mélange avec l’eau, de fluide supercritique.
De façon avantageuse, la sortie du dispositif est équipée d’un régulateur de pression.
Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, des couvercles peuvent être présents aux extrémités de l’enceinte afin de les fermer. Avantageusement, seul un des deux couvercles est mobile. Les couvercles peuvent par exemple être en acier, et plus particulièrement en acier 316L.
La présente invention concerne enfin l’utilisation du dispositif selon l’invention pour la mise en œuvre du procédé selon l’invention.
Elle concerne de plus un procédé selon l’invention dans lequel le réacteur de dépôt chimique sous pression et en température assisté par chauffage à induction est le dispositif selon l’invention.
Ainsi dans un mode de réalisation particulier du procédé selon l’invention, le substrat métallique à revêtir est placé dans l’enceinte du dispositif (ou réacteur) sur le support (étape a) du procédé selon l’invention).
Puis dans une étape suivante, on chauffe le substrat métallique par induction grâce au moyen de chauffage par induction (étape a1) du procédé selon l’invention).
Puis dès que la température du substrat métallique est à une température comprise entre 400°C et 700°C, on commence à introduire dans l’enceinte le précurseur de l’oxyde d’aluminium (ou matériau précurseur) préalablement dissout dans l’eau et le co-solvant (étape b) du procédé selon l’invention). L’eau dans lequel le précurseur est dissout et le co-solvant introduits seront ensuite soumis à une augmentation de la pression et de la température jusqu’à la pression et température voulue.
Durant l’introduction du précurseur de l’oxyde d’aluminium (ou matériau précurseur) préalablement dissout dans l’eau et du co-solvant, on continue à chauffer par induction le substrat métallique. Cela permet d’atteindre au voisinage du substrat métallique les conditions nécessaires pour la formation d’oxyde d’aluminium à la surface du substrat métallique.
Le précurseur de l’oxyde d’aluminium, l’eau et le co-solvant introduits réagissent donc dans des conditions solvothermales pour former de l’oxyde d’aluminium à la surface du substrat (étape c) du procédé selon l’invention). Durant toute la formation et la croissance de l’oxyde d’aluminium à la surface du substrat, le précurseur de l’oxyde d’aluminium préalablement dissout dans l’eau et le co-solvant sont introduits dans l’enceinte. La formation de l’oxyde d’aluminium à la surface du substrat a ainsi lieu en mode semi-continu. Cela permet d’ajuster les quantités de précurseur de l’oxyde d’aluminium, d’eau et de co-solvant au fur et à mesure de la croissance de la couche d’oxyde d’aluminium.
Quand l’épaisseur de la couche continue d’oxyde d’aluminium est suffisante, on arrête l’introduction du précurseur de l’oxyde d’aluminium préalablement dissout dans l’eau et du co-solvant, on refroidit l’enceinte avant de la dépressuriser pour récupérer le substrat revêtu (étape d) du procédé selon l’invention).
Dans un autre mode de réalisation particulier du procédé selon l’invention, le substrat métallique à revêtir est placé dans l’enceinte du dispositif (ou réacteur) sur le support (étape a) du procédé selon l’invention).
Puis dans une étape suivante, on chauffe le substrat métallique par induction grâce au moyen de chauffage par induction (étape a1) du procédé selon l’invention).
Dès que la température et la pression du mélange eau/co-solvant au sein de l’enceinte (T, P)Vatteignent les conditions désirées, on introduit dans l’enceinte le précurseur de l’oxyde d’aluminium (ou matériau précurseur) préalablement dissout dans l’eau et le co-solvant, l’eau et le co-solvant étant ainsi placés sous pression et en température (étape b) du procédé selon l’invention).
Le précurseur de l’oxyde d’aluminium, l’eau et le co-solvant introduits réagissent donc dans des conditions sous pression et en température pour former, par synthèse solvothermale, une couche continue d’oxyde d’aluminium à la surface du substrat qui va croître durant toute la durée de la réaction (étape c) du procédé selon l’invention). Durant cette étape de réaction, aucun matériau précurseur (ou précurseur de l’oxyde d’aluminium) ou fluide n’est ajouté. La formation d’oxyde d’aluminium à la surface du substrat métallique a lieu en mode fermé ou procédé discontinu.
Quand la croissance de la couche continue d’oxyde d’aluminium est achevée, c’est-à-dire quand tout le matériau précurseur (ou précurseur de l’oxyde d’aluminium) a réagi, on refroidit l’enceinte avant de la dépressuriser pour récupérer le substrat revêtu (étape d) du procédé selon l’invention).
La présente invention sera mieux comprise à la lumière de la description des figures et des exemples qui suivent. Les exemples sont donnés à titre indicatif, non limitatif.
Le dispositif 100 permet de déposer un revêtement d’oxyde d’aluminium sur un substrat métallique 104. Le dispositif 100 comprend une enceinte cylindrique 102 délimitée par des parois formant un volume V fermé. L’enceinte 102 est adaptée pour recevoir un fluide sous pression et en température grâce à un ensemble de joints en polymère 200, en particulier situés au niveau de la fenêtre saphir 112 et de la jonction entre l’ensemble métallique 202 et l’enceinte 102, un ensemble métallique 202, en particulier cylindrique, vissé et contraint par des colonnes métalliques 204, en particulier au nombre de 6 réparties à équidistance le unes des autres, dans lequel circule un fluide contrôlé en température à 20°C par un cryostat 206, en particulier le fluide étant situé au-dessus et en dessous de l’enceinte cylindrique, plus particulièrement de part et d’autre de la fenêtre saphir 112 et de l’entrée 120 et sortie 124. L’ensemble métallique 202, les colonnes métalliques 204 et les vis étant en particulier en acier 306L.
Le dispositif 100 comprend également une entrée 120 située dans la partie inférieure de l’enceinte 102 pour pouvoir introduire dans le volume V un fluide qui sera le co-solvant. Il comprend également une entrée 116 située dans la partie supérieure de l’enceinte 102 pour pouvoir introduire de l’eau et des matériaux précurseurs préalablement dissouts dans l’eau dans ce même volume V. Les entrées 116 et 120 peuvent être équipées d’une pompe 118 et 122.
Une sortie 124 est également présente dans le dispositif 100 pour purger le volume V, et ainsi permettre un fonctionnement en semi-continu du dispositif 100 de dépôt. La sortie 124 peut être équipée d’un régulateur de pression 126.
Un support 106 est placé dans l’enceinte 120 pour supporter le substrat métallique 104 sur lequel on dépose le revêtement. De manière préférentielle, le support 106 est placé dans l’enceinte 120 de manière à ce que le substrat métallique 104 soit maintenu au centre de l’inducteur formant le chauffage par induction 109. De manière préférentielle, le support 106 a une forme permettant de supporter le substrat métallique 104 avec un minimum de point de contact afin de revêtir la plus grande surface possible du substrat métallique avec le revêtement d’oxyde d’aluminium déposé et de limiter les perturbations dans le flux de convection de l’induction. Le support 106 est composé d’un matériau transparent aux rayonnements électromagnétiques. Il est par exemple composé d’un matériau non-conducteur thermique et électrique tel que l’alumine.
Un chauffage par induction 109 constitué par un générateur d’induction 108 et une boucle d’induction 110 entoure l’enceinte 102. Le chauffage par induction permet de chauffer le substrat métallique 104 en limitant le chauffage des matériaux précurseurs présents dans le volume V.
Afin de ne pas perturber le chauffage par induction du substrat métallique 104, les parois de l’enceinte 102 sont transparentes au rayonnement électromagnétique. Elles sont par exemple réalisées en céramique. Les céramiques utilisées peuvent être du nitrure de bore, du nitrure d’aluminium, de l’alumine ou du nitrure de silicium, plus particulièrement du nitrure de silicium. Ces exemples de céramiques denses et non poreuses permettent aux parois de l’enceinte 102 d’avoir une excellente tenue mécanique et ainsi de résister aux pressions présentes dans le volume V.
Une fenêtre saphir 112 est disposée sur la partie supérieure de l’enceinte 102 et permet le contrôle de la température du substrat métallique 104 grâce à un pyromètre bichromatique 114 disposé à l’extérieur de l’enceinte 102.
EXEMPLE
Le réacteur utilisé dans les exemples et tel que décrit ci-dessus en référence aux figures 1 et 2 et consiste en une enceinte cylindrique céramique en nitrure de silicium Si3N4 d’environ 300 mL de volume interne qui contient le fluide sous pression et le substrat métallique maintenu par un support en alumine. Cette céramique étant insensible aux champs magnétiques, elle est entourée d’une boucle à induction, elle-même reliée à un générateur à induction d’une puissance maximale de 7 kW. Cela permet de chauffer préférentiellement le substrat métallique situé au centre du fluide sous pression. Cette céramique est maintenue sous pression par un ensemble de joints en polymère (Peek, Viton®, EPDM et/ou Kalrez®) et d’un ensemble métallique cylindrique vissé et contraint par 6 colonnes métalliques équidistantes les unes des autres en acier 316 L. Pour éviter une trop grande déformation due à l’augmentation de la température de cet ensemble métallique, un fluide (de l’éthylène glycol) contrôlé en température à 20 °C grâce à un cryostat circule en son sein. Cet ensemble de maintien offre la possibilité de pressuriser un fluide jusqu’à 25 MPa. Une autre amélioration concerne l’ajout de piquages sur la partie métallique supérieure permettant l’injection de fluides par le haut tout en conservant l’emplacement d’une fenêtre saphir. Cette dernière permet de contrôler la température du substrat métallique grâce à un pyromètre bichromatique en gardant l’injection de fluides et du précurseur par le haut du réacteur. Les fluides et précurseurs sont injectés à un débit contrôlé au moyen d’une pompe HPLC pour l’eau et d’une pompe Isco pour le co-solvant (ici l’azote). La pression est maintenue par un régulateur de pression en sortie. Ce réacteur fonctionne en mode semi-continu avec un substrat fixe et des fluides en circulation continue.
Un substrat parallélépipédique métallique de titane-aluminium à base gamma de dimension 1,5x1,5x0,5 cm est donc introduit dans ce réacteur.
Des dépôts d’un revêtement continu d’oxyde d’aluminium alpha avec des débits d’eau et d’azote (en tant que co-solvant) de 1,3 mL/min et 2 mL/min respectivement, une pression de 10 MPa et des températures de 510°C, 630°C et 700°C ont été effectués sur ce substrat en utilisant comme matériau précurseur le nitrate d’aluminium Al(NO3)3.
En utilisant un diffractomètre à rayons X en incidence rasante à un angle de 1° (ou GIXRD pour Grazing incidence angle XRD) sur le substrat revêtu et en analysant le diffractogramme obtenu grâce au logiciel EVA, on observe qu’à une température de 510°C, le dépôt contient un mélange d’oxyde d’aluminium métastable, la phase kappa, et surtout, d’oxyde d’aluminium alpha.
A la température de 630°C, on observe plus aisément les raies de diffraction de l’oxyde d’aluminium alpha à 25,51° et 43,23° avec toujours cette phase métastable qu’est l’oxyde d’aluminium kappa.
A 700°C, il est difficile de noter la présence de l’oxyde d’aluminium alpha. On distingue clairement les raies de diffraction d’une nouvelle phase métastable, l’oxyde d’aluminium thêta.
Par observation au microscope électronique à balayage de la section transverse réalisée par préparation métallographique du substrat revêtu, on s’aperçoit que la morphologie des dépôts réalisés dans un mélange eau/azote est homogène et se constitue d’agrégats de grains hexagonaux de quelques centaines de nanomètres.
On observe également que la section transverse de ce revêtement réalisé à 600 °C nous renseigne sur la morphologie du dépôt en profondeur et également sur son épaisseur. Le dépôt semble posséder deux types de structures en allant du substrat vers l’extérieur, une relativement dense sur 2 µm (la plus proche du substrat) et une relativement poreuse sur 60 µm. En outre, l’épaisseur moyenne est d’environ 61 ± 11 μm ce qui permet d’établir une vitesse de dépôt d’environ 300 nm.min-1. Ces deux zones se constituent d’oxydes d’aluminium.
En conclusion, ce procédé de dépôt chimique sous pression et en température assisté par chauffage à induction a permis d’élaborer des revêtements d’oxyde d’aluminium alpha et mixtes à des températures très nettement inférieures à 850 °C à une pression comprise entre 1 MPa à 25 MPa sur des substrats métalliques de TiAl de géométries complexes.
Claims (10)
- Procédé de dépôt sur un substrat métallique d’un revêtement continu d’oxyde d’aluminium par dépôt chimique sous pression et en température assisté par un chauffage en induction comprenant l’étape de synthèse solvothermale à partir d’un précurseur de l’oxyde d’aluminium dissout dans un mélange d’eau et de co-solvant chauffés par induction à une température comprise entre 400°C et 700°C et à une pression comprise entre 1 MPa et 25 MPa.
- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes :
a- introduction du substrat métallique à revêtir dans un réacteur de dépôt chimique sous pression et en température assisté par chauffage à induction ;
b- introduction dans le réacteur du précurseur de l’oxyde d’aluminium préalablement dissout dans l’eau et du co-solvant ;
c- mise en œuvre de la synthèse solvothermale à partir dudit précurseur de l’oxyde d’aluminium par chauffage par induction à une température comprise entre 400°C et 700°C et à une pression comprise entre 1 MPa et 25 MPa, avantageusement entre 6 MPa et 10 MPa, du précurseur de l’oxyde d’aluminium dissout dans le mélange d’eau et de co-solvant ;
d- récupération du substrat revêtu d’un revêtement continu d’oxyde d’aluminium. - Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le substrat métallique est en alliage de titane, avantageusement en alliage à base d’aluminure de titane.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le co-solvant est choisi parmi les alcools, en particulier l’éthanol, l’azote, le dioxyde de carbone, l’argon et leurs mélanges, avantageusement il s’agit de l’azote.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le procédé est un procédé semi-continu.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l’oxyde d’aluminium du revêtement continu est un oxyde d’aluminium métastable, un oxyde d’aluminium alpha ou un mélange de ces oxydes, avantageusement un oxyde d’aluminium alpha.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que la vitesse de dépôt est comprise entre 100 et 500nm/min, avantageusement elle est de 300nm/min.
- Dispositif (100) de dépôt d’un oxyde d’aluminium sur un substrat métallique (104) par la voie de dépôt chimique sous pression et en température comprenant :
- une enceinte (102) délimitée par des parois formant un volume fermé (V), destinée à contenir un fluide sous pression et en température et dont le matériau des parois est transparent aux rayonnements électromagnétiques ;
- un support (106) également transparent aux rayonnements électromagnétiques destiné à supporter le substrat métallique (104) situé à l’intérieur de l’enceinte ;
- un dispositif de chauffage par induction (109) entourant l’extérieure de l’enceinte (102) de façon à pouvoir chauffer le substrat métallique (104) placé sur le support (106)
- une entrée (116) située dans la partie supérieure de l’enceinte (102) et configurée pour permettre l’introduction du matériau précurseur préalablement dissout dans l’eau à l’intérieur de l’enceinte (102) ;
- une entrée (120) située dans la partie inférieure de l’enceinte (102) et configurée pour permettre l’introduction d’un fluide à l’intérieur de l’enceinte (102) ;
- au moins une sortie (124) configurée pour purger le volume (V) ;
- une fenêtre saphir (112) disposée sur la partie supérieure de l’enceinte, permettant le contrôle de la température du substrat métallique (104) grâce à un pyromètre bichromatique (114) disposé à l’extérieur de l’enceinte ;
- un ensemble de joints en polymère (200) ;
- un ensemble métallique (202) vissé et contraint par des colonnes métalliques (204) dans lequel circule un fluide contrôlé en température à 20°C par un cryostat (206). - Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu’il ne comprend pas de double paroi.
- Utilisation du dispositif selon l’une quelconque des revendications 8 ou 9 pour la mise en œuvre du procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7.
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2022
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2023
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