WO1983003263A1 - Procede de depot d'une couche de protection metallique et/ou ceramique sur un substrat - Google Patents

Procede de depot d'une couche de protection metallique et/ou ceramique sur un substrat Download PDF

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WO1983003263A1
WO1983003263A1 PCT/CH1983/000036 CH8300036W WO8303263A1 WO 1983003263 A1 WO1983003263 A1 WO 1983003263A1 CH 8300036 W CH8300036 W CH 8300036W WO 8303263 A1 WO8303263 A1 WO 8303263A1
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S.A. Castolin
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Neudahm, Walter
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying

Definitions

  • the present invention relates to a method of depositing a metallic and / or ceramic protective layer on a substrate, by thermal spraying of pulverulent materials.
  • a metallic and / or ceramic protective layer In order to form hard protective layers of relatively large thickness made of metallic or ceramic materials, several superimposed elementary layers are generally deposited.
  • the maximum thickness that can be achieved by such a multi-layer process is however greatly limited and is practically between 0.3 and 0.5 mm. This is due in particular to the high internal tensions which appear in such a protective layer and which can only be reduced partially by an appropriate choice of the projection parameters and by accepting an increased porosity of the layer.
  • Furthermore, in particular when it is ceramic materials deposited in several superimposed layers there is an accumulation of heat at the level of each elementary layer deposited, which leads to a high temperature difference between the substrate and the layer. , temperature difference which increases with each elementary layer and can reach 150 ° C. This generally results in the formation of cracks and the release of the different elementary layers.
  • the invention proposes to provide a process allowing the application of relatively thick layers, that is to say in practice up to 3 mm, from materials with a high melting point or ceramic materials, while allowing to achieve high density layers, that is to say very low porosity.
  • the method according to the invention is characterized in that successively depositing layer parts in the form of juxtaposed, adjacent bands, each having a height corresponding substantially to the thickness of the layer to be formed, the substrate being maintained during the deposition process at a temperature below 300 ° C and the temperature difference between the substrate and a location of a layer portion deposited, measured at the latest before the deposition of an adjacent layer portion, at vicinity of said place, being kept below 100 ° C.
  • local cooling is carried out at each layer portion deposited so that the temperature of the substrate does not exceed 200 ° C or even 100 ° C and that said temperature difference between the substrate and a location of a portion of the deposited layer does not exceed 50 or 60 ° C.
  • the cooling is preferably carried out by means of a device comprising punctual, annular, linear or fan-shaped cooling fluid outlet nozzles, or else distributed over a surface, the cooling fluids being preferably chosen from among water, liquid carbon dioxide, nitrogen, compressed air and can be applied in combination.
  • Figures 1 and 2 schematically represent the structure of a protective layer produced by the method according to the invention.
  • the strip-shaped layer parts 1, 2, 3, 4 etc. shown in Figure 1 are deposited adjacent, side by side, on a substrate 5.
  • Each layer part thus deposited has substantially the total height H of the layer to be formed. This is achieved by an appropriate choice of the projection parameters and the relative movement between the projection apparatus and the substrate.
  • a constant circumferential speed of the piece of the order of 5 to 60 m / min and a transfer speed are chosen. in the axial direction between 10 -4 and 1 m / min.
  • a relative movement is chosen between the part and the projection apparatus taking place discontinuously, in steps the length of which is between 0.1 and 20 mm , and a relative movement in the direction perpendicular to the previous one with a speed analogous to that used in the axial direction of the aforementioned cylindrical part.
  • the quantity of powder supplied to the spraying device is between 0.2 and 3 kg / h.
  • the corresponding values are, in the order of the values given above, 20 to 40 m / min, 5. 10 -4 to 0.5 m / min and 0.5 to 15 mm, the quantity of powder projected going from 0.5 to 2 kg / h.
  • the applied layer part is locally cooled so as to maintain the temperature difference between the base part and the layer at a value less than 60 and preferably 50 ° C.
  • the various parts of the layer applied only partially overlap, which makes it possible to avoid an accumulation of heat in the parts of layer deposited successively.
  • the internal tensions appearing in the layer are no longer oriented parallel to the surface of the base part but are inclined by relative to this surface so that the danger of the layer peeling off is practically eliminated.
  • FIG. 2 shows the example of a layer with a smaller thickness h, in which the different layer parts are relatively wider but only partially overlap in a similar manner to the case illustrated in FIG. 1.
  • the quantity of powder supplied was adjusted to 1.0 kg / h and a rotary support for the shaft was driven as follows: circumferential speed of the shaft 30 m / min, advancement in the axial direction 0.025 m / min.
  • a cooling device was placed around the shaft at the location of the projection, this device comprising an annular arrangement of individual nozzles each having an opening of 1 mm in diameter and being supplied with liquid carbon dioxide.
  • the distance between the axis of the flame and the median plane of the annular nozzles was 20 mm so that the cooled area was an annular area of 2 mm in width.
  • the coolant supply was set to about 4 liters / min (1 / min) and adjusted so that the shaft temperature was less than 100 ° C and the temperature difference between a part of the deposited layer and the surface of the shaft, measured immediately after a shutdown of the spraying and cooling device before the next pass, from the location considered, by the projection position was less than 20 ° C.
  • a ST37 steel sliding sleeve having an outside diameter of 100 mm and an inside diameter of 50 mm was provided on the outside with a layer of molybdenum 1 mm thick.
  • the torch used was of the same type as in Example 1 and the powder supply was adjusted to 1.2 kg / h.
  • the distance between the torch nozzle and the surface of the socket was 100 mm and the drive of the rotary support device, similar to that of example 1, was chosen as follows: circumferential speed 30 - 5 m / min, feed in the axial direction 0.05 m / min.
  • a first device with nozzles distributed over a surface of 20 mm ⁇ 20 mm was mounted in a position diametrically opposite the axis of the torch flame 12 cm away from the surface of the socket and was supplied with liquid carbon dioxide at a rate of 3.5 l / min.
  • a second device with nozzles distributed over a surface of 5 mm ⁇ 10 mm was placed at a distance of 30 mm from the first device, this distance being measured in the direction of rotation of the sleeve on the surface of the latter, and was supplied with nitrogen with a flow rate of 7 l / min.
  • the room temperature has reached a maximum of 150 ° C and the temperature difference between the room and the protective layer, measured as in Example 1, being less than 50 ° C.
  • the final layer thickness was 0.9 mm and had no visible pores or cracks on its surface.
  • the service life was 50% longer than that of sockets provided with several overlapping protective layers of the same total thickness.
  • the bearing surface of a gray cast iron tree 150 mm in diameter was covered with a layer of bronze (10% Al, 90% Cu) 2 mm thick over a length of 100 mm.
  • the equipment used included a "Rototec 80" projection torch (trademark of Castolin SA), the powder supply of which was adjusted to 1.5 kg / h and the distance between the projection nozzle and the surface of the tree was 15 mm.
  • a rotary support device was used as in Examples 1 and 2 so as to impart to the shaft a circumferential speed of 45 m / min and an advance in the axial direction of 0.02 m / min.
  • the temperature of the surface of the tree was thus maintained at a value below 250 ° C., the maximum temperature difference between the layer and the substrate, measured as in Examples 1 and 2, having been 30 ° C.
  • Piston pump plungers intended for use in highly corrosive environments have been fitted. in series production, on their sealing surface, a protective layer composed of 97% Al 2 O 3 + 3%
  • the plungers were made of a nickel-chromium alloy of the following composition: 20% Cr,
  • a projection torch of the type of that of Example 1 was mounted on the advancement device of a rotary support device and a polishing device was disposed at a distance of 20 mm from the flame axis.
  • the circumferential speed of the plunger was 60 m / min, the advance was 0.2 m / min and the polisher was driven at 1200 rpm.
  • the powder supply of the projection torch was 0.7 kg / h and the projection distance was 80 mm.
  • a cooling nozzle supplied with liquid carbon dioxide at the rate of 6 l / min was arranged diametrically opposite the axis of the flame and had an opening of 0.5 mm ⁇ 5 mm.
  • an annular arrangement of nozzles with a diameter of 1 mm was placed 100 mm away from the axis of the flame between the latter and the polishing device, around the part to be treated.
  • This latter cooling device was supplied with water at a rate of 4 l / min and made it possible to reduce the temperature of the deposited layer from 100 ° C. before cooling with water, to 50 ° C.
  • the divers thus produced had a very good lifespan while the manufacturing duration of the protective layer was halved compared to the usual process.

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Abstract

Le présent procédé consiste à déposer, par projection thermique de matériaux pulvérulents, des parties de couche en forme de bandes juxtaposées, adjacentes, ayant chacune une hauteur correspondant sensiblement à l'épaisseur de la couche à former. Chaque partie de couche déposée est refroidie localement de manière à maintenir notamment la différence de température entre le substrat et la couche à une valeur inférieure à 100oC, de préférence inférieure à 60 ou 50oC. Ceci permet de déposer des couches allant jusqu'à 3mm d'épaisseur et d'obtenir des couches de très grande densité même à partir de métaux à point de fusion élevé ou à partir de matériaux céramiques.

Description

PROCEDE DE DEPOT D'UNE COUCHE DE PROTECTION METALLIQUE ET/OU CERAMIQUE SUR UN SUBSTRAT
La présente invention concerne un procédé de dépôt d'une couche de protection métallique et/ou céramique sur un substrat, par projection thermique de matériaux pulvérulents. Pour former des couches de protection dures d'une épaisseur relativement importante en matériaux métalliques ou céramiques on dépose généralement, par projection thermique, plusieurs couches élémentaires superposées. L'épaisseur maximale que l'on peut atteindre par un tel procédé à plusieurs couches est toutefois fortement limitéeet se situe pratiquement entre 0,3 et 0,5 mm. Ceci est dû en particulier aux fortes tensions internes qui apparaissent dans une telle couche de protection et qui ne peuvent être réduites que partiellement par un choix approprié des paramètres de projection et en acceptant une porosité accrue de la couche. Par ailleurs, en particulier lorsqu'il s'agit de matériaux céramiques déposés en plusieurs couches superposées, il se produit une accumulation de chaleur au niveau de chaque couche élémentaire déposée, ce qui conduit à une différence de température élevée entre le substrat et la couche, différence de température qui augmente avec chaque couche élémentaire et peut atteindre 150°C. Ceci se traduit généralement par la formation de fissures et le décollage des différentes couches élémentaires.
L'invention se propose de fournir un procédé permettant l'application de couches de relativement forte épaisseur, c'est-à-dire dans la pratique jusqu'à 3 mm, à partir de matériaux à point de fusion élevé ou de matériaux céramiques, tout en permettant de réaliser des couches de forte densité, c'est-à-dire de très faible porosité.
A cet effet, le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que l'on dépose successivement des parties de couche en forme de bandes juxtaposées, adjacentes, ayant chacune une hauteur correspondant sensiblement à l'épaisseur de la couche à former, le substrat étant maintenu pendant le processus de dépôt à une température inférieure à 300°C et la différence de température entre le substrat et un endroit d'une partie de couche déposée, mesurée au plus tard avant le dépôt d'une partie de couche adjacente, au voisinage dudit endroit, étant maintenue en-dessous de 100°C. De préférence, un refroidissement local est effectué au niveau de chaque partie de couche déposée de façon que la température du substrat ne dépasse pas 200 °C ou même 100°C et que ladite différence de température entre le substrat et un endroit d'une partie de couche déposée ne dépasse pas 50 ou 60°C. Le refroidissement est de préférence effectué au moyen d'un dispositif comportant des buses de sortie de fluide de refroidissement ponctuelles, annulaires, linéaires ou en forme d'éventail, ou encore réparties sur une surface, les fluides de refroidissement étant de préférence choisis parmi l'eau, le dioxyde de carbone liquide, l'azote, l'air comprimé et pouvant être appliqués de façon combinée.
L'invention sera mieux comprise à la lumière des exemples donnés ci-après etde la description illustrée par le dessin annexé, dans lequel :
Les figures 1 et 2 représentent schématiquement la structure d'une couche de protection réalisée par le procédé selon l ' invention.
Les parties de couche en forme de bandes 1, 2, 3, 4 etc. représentées à la figure 1, sont déposées de façon adjacente, côte à côte, sur un substrat 5. Chaque partie de couche ainsi déposée présente sensiblement la hauteur H totale de la couche à former. Ceci est obtenu par un choix approprié des paramètres de projection et du mouvement relatif entre l'appareil de projection et le substrat. Pour la formation d'une couche de 0,1 à 3 mm d'épaisseur sur une pièce cylindrique, on choisit par exemple une vitesse circonférentielle constante de la pièce de l'ordre de 5 à 60 m/min et une vitesse de trans lation dans le sens axial entre 10 -4 et 1 m/min. Dans le cas du dépôt d'une telle couche sur une surface plane,on choisit un mouvement relatif entre la pièce et l'appareil de projection s'effectuant de manière discontinue, par pas dont la longueur se situe entre 0,1 et 20 mm, et un mouvement relatif dans le sens perpendiculaire au précédent avec une vitesse analogue à celle utilisée dans le sens axial de la pièce cylindrique susmentionnée. La quantité de poudre fournie au dispositif de projection est comprise entre 0,2 et 3 kg/h. Pour une épaisseur de couche de 0,25 à 2,5 mm les valeurs correspondantes sont, dans l'ordre des valeurs données ci-dessus, 20 à 40 m/min , 5. 10 -4 à 0,5 m/min et 0,5 à 15 mm, la quantité de poudre projetée allant de 0,5 à 2 kg/h.
En particulier, dans le cas de couches dépassant
0,5 mm d'épaisseur, on refroidit localement la partie de couche appliquée de manière à maintenir la différence de température entre la pièce de base et la couche à une valeur inférieure à 60 et de préférence 50 °C.
Comme le montre la figure 1, les différentes parties de couche appliquées ne se recouvrent que partiellement, ce qui permet d'éviter une accumulation de chaleur dans les parties de couche déposées successivement. D'autre part, les tensions internes apparaissant dans la couche ne sont plus orientées parallèlement à la surface de la pièce de base mais sont inclinées par rapport à cette surface de sorte que le danger d'un décollage de la couche est pratiquement supprimé.
La figure 2 montre l'exemple d'une couche d'une épaisseur plus faible h, dans laquelle les différentes parties de couche sont relativement plus larges mais ne se recouvrent que partiellement de façon similaire au cas illustré à la figure 1.
Les exemples suivants décrivent la réalisation de couches de protection ayant une épaisseur et une qualité, notamment en ce qui concerne l'absence de fissures et de pores, qui jusqu'à présent étaient considéréescomme impossibles à atteindre avec les matériaux concernés. Exemple 1 Sur un arbre en acier ST 37 d'un diamètre de 40 mm on applique une couche de protection de 1,5 mm d'épaisseur en utilisant une poudre comportant, en poids, 87 % Al2O3 et 13 % TiO2. Une torche de projection à la flamme du type "Castodyn 2000" (marque de fabrique de la société Castolin S.A.) a été placée à une distance de 90 mm de la surface del'arbre pour effectuer la projection. La quantité de poudre fournie a été réglée à 1,0 kg/h et un support rotatif de l'arbrea été entraîné comme suit : vitesse circonférentielle de l'arbre 30 m/min, avancement dans le sens axial 0,025 m/min. un dispositif de refroidissement a été disposé autour de l'arbre à l'endroit de la projection, ce dispositif comportant un arrangement annulaire de buses individuelles ayant chacune une ouverture de 1 mm de diamètre et étant alimentées en dioxyde de carbone liquide. La distance entre l'axe de la flamme et le plan médian des buses annulaires était de 20 mm de sorte que la zone refroidie était une zone annulaire de 2 mm de largeur. L'alimentation en liquide de refroidissement a été réglée à environ 4 litres/min (1/min) et ajustée de façon que la température de l'arbre était inférieure à 100°C et la différence de température entre une partie de couche déposée et la surface de l'arbre, mesurée immédiatement après une coupure du dispositif de projection et de refroidissement avant le passage suivant, de l'endroit considéré, par la position de projection était inférieur à 20°C.
Exemple 2
Une douille de glissement en acier ST37 ayant un diamètre extérieur de 100 mm et un diamètre intérieur de 50 mm a été munie à l'extérieur d'une couche de molybdène de 1 mm d'épaisseur. La torche utilisée était du même type que dans l'exemple 1 et l'alimentation en poudre a été réglée à 1,2 kg/h. La distance entre la buse de la torche et la surface de la douille était de 100 mm et l'entraînement du dispositif de support rotatif, similaire à celui de l'exemple l,a été choisi comme suit : vitesse circonféren tielle 30 - 5 m/min, avance dans le sens axial 0,05 m/min. Pour réaliser le refroidissement, un premier dispositif à buses réparties sur une surface de 20 mm x 20 mm a été monté dans une position diamétralement opposée à l'axe de la flamme de la torche à 12 cm de distance de la surface de la douille et a été alimenté en dioxyde de carbone liquide à raison de 3,5 1/min. Un- deuxième dispositif à buses réparties sur une surface de 5 mm x 10 mm a été disposé à une distance de 30 mm du premier dispositif, cette distance étant mesurée dans le sens de rotation de la douille sur la surface de celle-ci, et a été alimenté en azote avec un débit de 7 1/min. De cette manière, la température de la pièce a atteint au maximum 150°C et la différence de température entre la pièce et la couche de protection, mesurée comme dans l'exemple 1, étant inférieure à 50°C. Après polissage, l'épaisseur finale de la couche était de 0,9 mm et sa surface ne présentait aucun pore, aucune fissure visibles. La durée de vie était de 50 % plus longue que celle de douilles pourvues de plusieurs couches de protection superposées de la même épaisseur totale.
Exemple 3
La surface portante d'un arbre en fonte grise de 150 mm de diamètre a été recouverte d'une couche de bronze (10 % Al, 90 % Cu) de 2 mm d'épaisseur sur une longueur de 100 mm. L'appareillage utilisé comportait une torche de projection "Rototec 80" (marque de fabrique de la société Castolin S.A.) dont l'alimentation en poudre a été réglée à 1,5 kg/h et la distance entre la buse de projection et la surface de l'arbre était de 15 mm. Un dispositif de support rotatif a été utilisé comme dans les exemples 1 et 2 de façon à impartir à l'arbre une vitesse circonférentielle de 45 m/min et une avance dans le sens axial de 0,02 m/min.
Une série de buses de refroidissement de 2 mm de diamètre chacune ont été disposées à 15 mm de distance de la surface de l'arbre le long d'un demi-cercle, en forme d'éventail, ces buses étant alimentées en l'air comprimé avec une pression de 6 atmosphères. La température de la surface de l'arbre a été ainsi maintenue à une valeur inférieure à 250ºC, la différence de température maximale entre la couche et le substrat, mesurée comme dans les exemples 1 et 2 ,ayant été de 30 °C.
Par rapport au procédé de revêtement habituel, le coût de la réalisation de la présente surface de roulement était nettement inférieur et la durée de vie de la pièce s'était sensiblement accrue. Exemple 4
Des plongeurs de pompe à piston destinés à être utilisés en milieux fortement corrosifs ont été munis. en fabrication en série, sur leur surface d'étanchéité, d'une couche de protection composée de 97 % Al2O3 + 3 %
TiO2.
Les plongeurs étaient réalisés en un alliage nickel-chrome de la composition suivante : 20 % Cr,
4 % Fe, 0,5 % Si, reste Ni, leur longueur était de 850 mm et leur diamètre de 40 mm. La surface d'étanchéité s'étendait sur une longueur de 500 mm et a été revêtue d'une couche de protection de 0,8 mm. Le dépôt par pro jection et le polissage de la couche étaient réalisés en une seule phase de travail. A cet effet, une torche de projection du type de celle de l'exemple 1, a été montée sur le dispositif d'avancement d'un dispositif de support rotatif et un dispositif de polissage était disposé à une distance de 20 mm de l'axe de la flamme. La vitesse circonférentielle du plongeur était de 60 m/min, l'avancement était de 0,2 m/min et le dispositif de polissage était entraîné à 1200 tours/min. L'alimentation en poudre de la torche de projection était de 0,7 kg/h et la distance de projection était de 80 mm.
Une buse de refroidissement alimentée en dioxyde de carbone liquide à raison de 6 1/min était disposée de façon diamétralement opposée à l'axe de la flamme et avait une ouverture de 0,5 mm x 5 mm. D'autre part, un arrangement annulaire de buses de 1 mm de diamètre a été disposé à 100 mm de distance de l'axe de la flamme entre celle-ci et le dispositif de polissage, autour de la pièce à traiter. Ce dernier dispositif de refroidissement était alimenté en eau à raison de 4 1/min et a permis de ramener la température de la couche déposée de 100°C avant le refroidissement à eau, à 50°C.
Les plongeurs ainsi réalisés présentaient une très bonne durée de' vie alors que la durée de fabrication de la couche de protection était réduite de moitié par rapport au procédé habituel.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de dépôt d'une couche de protection métallique et/ou céramique sur un substrat, par projection thermique de matériaux pulvérulents, caractérisé en ce que l'on dépose successivement des parties de couche en forme de bandes juxtaposées, adjacentes, ayant chacune une hauteur correspondant sensiblement à l'épaisseur de la couche à former, le substrat étant maintenu pendant le processus de dépôt à une température inférieure à 300°C et la différence de température entre le substrat et un endroit d'une partie de couche déposée, mesurée au plus tard avant le dépôt d'une partie de couche adjacente, au voisinage dudit endroit, étant maintenue en-dessous de 100°C.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque partie de couche déposée est refroidie localement.
3. Procédé selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on pratique un refroidissement tel que la température du substrat ne dépasse pas 200°C et ladite différence de température entre le substrat et un endroit d'une partie de couche déposée ne dépasse pas 60°C.
4. Procédé selon les revendications 1 ou 2 , caractérisé en ce que l'on pratique un refroidissement tel que la température du substrat ne dépasse pas 100°C et ladite différence de température entre le substrat et un endroit d'une partie de couche déposée ne dépasse pas 50°C.
5. Procédé selon les revendications 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que le refroidissement est effectué au moyen d'au moins un dispositif comportant des buses de sortie de fluide de refroidissement orientées en éventail.
6. Procédé selon les revendications 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que le refroidissement est effectué au moyen d'au moins un dispositif comportant des buses de sortie de fluide de refroidissement disposées de façon annulaire ou linéaire.
7. Procédé selon les revendications 2 , 3 ou 4 , caractérisé en ce que le refroidissement est effectué au moyen d'au moins un dispositif comportant des buses de sortie de fluide de refroidissement réparties sur une surface.
8. Procédé selon l'une des revendications 5, 6 ou 7, caractérisé en ce que le fluide de refroidissement utilisé est choisi parmi le dioxyde de carbone liquide, l'eau, l'azote et l'air comprimé.
9. Procédé selon les revendications 5 , 6 ou 7, caractérisé en ce que l'on utilise une combinaison de dispositifs de refroidissement utilisant différents fluides de refroidissement choisis parmi l'eau, le dioxyde de carbone liquide, l'azote et l'air comprimé.
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