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La présente Invention concerne un procédé pour
traiter par exemple la surface d'un substrat par projec-
tion d~un flux de plasma, du type consistant à créer un
arc électrique dans une chambre entre une cathode et une
anode, à introduire un gaz inerte dans la chambre afin
qu~il soit ionisé à son passage au travers de l'arc élec-
trique pour former un plasma à haute température, et à
éjecter à 1~extérleur de la chambre le plasma au travers
d~une buse d~éjection dont llorifice de sortie est en
forme de fente.
Dans le cas où le traitement de surface
- consiste à déposer un revêtement sur un substrat, le ma-
; tériau constitutif de ce revêtement est généralement sous
~orme pulvérulente, e~ les particules du matériau sont
mélangées au ~I.ux de plasma pour passer à l'état fondu
avant d'être projecées sur le substrat.
Parml les techniques de pulvérisation utili-
sées pour former le dépôt d'un revêtement sur un sub-
strat, la technique précitée par projection au plasma
offre certains avantages, notamment celui de pouvoir at-
teindre de hautes températures (de l'ordre de 5 000 à
15 000 C) et d~obtenir des densités d'énergie spéci-
fiques qui permettent de faire fondre tout matériau qui a
une phase de ~usion stable. Il est ainsi possible
d'appliquer notamment cette technique aux céramiques qui
ont des points de fusion élevés.
Toutefois, les dispositifs de projection au
plasma actuellement utilisés ont des possibilités limi-
tées du fait des contraintes inhérentes au principe de
leur fonctionnement, qui ne permettent d~obtenir que cer-
taines formes de projection, essentiellement coniques,
entre la sortie de la buse et le substrat à revêtir.
Il en résulte que la surface projetée sur le
substrat ne peut pas avoir une forme polygonale, en par-
ticulier rectangulaire. En outre, pour certaines applica-
tions et dans le but de limiter le nombre de passes né-
~3~
cessaires au dépôt d'un revêtement d'une épaisseur déter-
minée, il serait souhaitable de pouvoir élargir la couche
déposée à chaque passe.
On a donc cherché à pallier ces limitations
pour essayer d~obtenir dlautres formes de projection
avec, si possible, augmentation de la largeur de la
couche déposée après chaque passe.
Or, dans un article intitulé "BUSE DE PROJEC-
TION AU PLASMA AVEC ORIFICE DE SORTIE EN FORME DE FENTE"
paru en 1979 dans la revue anglaise "WELDING PRODUCTION",
~ol. 26, N- 12, pages 32-37, une étude tend à montrer
~u~une augmentation du diamètre de l'orifice de sortie de
'~ buse d'éjection n~entraîne en réalité qu'une très lé-
gère augmentation de la largeur de la couche déposée, à
condition toutefois ~e prévoir au moins deux entrées dia-
métralement opposées ~'injection du matériau pulvérulent
dans la buse. En outre, l'augmentation du diamètre de
l~orifice de sortie de la buse est de toute manière limi-
~ée, car elle entraîne un abaissement de la température
du jet de plasma qu1 peut être nuisible au passage à
l~état ~ondu des particules du matériau injectées dans le
plasma. En conclusion, cet article propose un compromis
qu1 consiste à donner une forme de fente à l'orifice de
sorrie de la buse d'éjection et à prévoir deux entrées
diamétralement opposées d~injection du matériau pulvéru-
lent à l'intérieur de la buse.
Néanmoins, selon la Demanderesse, une telle
solution n'est pas sans présenter des inconvénients. En
effet, le passage d~une forme cylindrique à une forme
tronconique entre la sortie de la chambre et l'entrée de
la buse d'éjection, entraîne des modifications dans la
vitesse d'écoulement du plasma qui ne permettent pas
d'obtenir le dépôt dlune couche ayant en tout point des
caractéristiques uniformes. Concrètement, la Demanderesse
considère que ces inconvénients sont inhérents au fait
que le gaz inerte introduit dans la chambre s'écoule
:
.,..: :
. .
2~3~g
coaxialement à l~arc électrique créé entre la cathode et
l'anode.
D'une manière générale, .LIInvention a notam-
ment pour but de perfectionner un tel procédé de projec-
tion au plasma afi.n de pallier les inconvénients précitéstout en procurant d'autres avantages.
A cet effet, l~Invention propose un procédé du
type précité qui se caractérise en ce qu'il consiste à
créer un arc électrique entre l'anode et la cathode sui-
vant un axe sensiblement parallèle à l'axe de la fente desortie de la buse d'éjection.
Selon une autre caractéristique du procédé
sulvant l~Invention, le gaz inerte est introduit dans la
~~am~re sulvant plusieurs directions radiales par rapport
15 à 1 axe de l~arc électrique.
Selon encore une autre caractéristique du pro-
cédé suivant l~Invention dans le cas du dépôt d'un revê-
tement sur un substrat, le matériau constitutif du re-
vêtement à déposer sur le substrat est véhicul~ par un
gaz porteur, et il est, soit injecté à llintérieur de la
buse d~éjection, soit éjecté à la sortie de la buse sui-
vant une direction sensiblement parallèle à la direction
du flux de plasma en sortie de la buse d'éjection.
L~Invention concerne également un dispositif
de mise en oeuvre du procédé conforme à l'Invention du
type comprenant au moins une chambre avec une cathode et
une anode, des moyens pour créer un arc électrique à
1~intérieur de la chambre entre la cathode et l'a-node, au
moins un conduit d'arrivée d'un gaz inerte ionisable par
l'arc électrique pour former un plasma à haute tempéra-
ture, une buse d'éjection avec un orifice de sortie en
forme de fente et un orifice d~entrée qui communique avec
la chambre, dispositif caractérisé en ce que la chambre
est de forme allongée avec deux surfaces d'extrémité par
lesquelles font respectivement saillie la cathode et
l'anode axialement alignées l~une a~ec l'autre pour créer
-
: ; :: . -
:,
~.~638~9
un arc électrique suivant un axe sensiblement parallèle à
l'axe de la fente de sortie de la buse dléjection.
Selon une autre caractér:istique du dispositif
de mise en oeuvre du procédé suivcmt l'Invention, plu-
sieurs conduits d'arrivée de gaz inerte débouchent àl'intérieur de la chambre suivant plusieurs directions
radiales par rapport à l'axe de l'arc électri~ue créé
entre la cathode et l'anode, ces conduits débouchant dans
la chambre par des orifices qui sont répartis sur plu-
sieurs rangées alignées suivant l~axe de l'arc élec-
trique.
Selon une autre caractéristique du dispositif,
la chambre slétend parallèlement à la fente de sortie de
la buse d'éjection et sensiblement sur toute la longueur
de celle-ci, la buse comportant un orifice d'entrée éga-
lement en forme de fente qui communique avec la chambre
sur toute la longueur de celle-ci.
Selon encore une autre caractéristique du dis-
positif appliqué au dépôt dlun revêtement sur un substrat
par exemple, au moins un conduit d'arrivée du matériau
sous forme pulvérulente débouche soit à l'intérieur de la
buse d'éjection, soit à l'extérieur de celle-ci suivant
une direction sensiblement parallèle à la direction du
flux de plasma en sortie de la buse d~éjection.
Ainsi, avec un tel procédé perfectionné de
projection au plasma, il est notamment possible de dépo-
ser des bandes de revêtement plus larges que celles obte-
nues auparavant, avec des qualités de dépôt-uni~ormes en
tout point de la surface de chaque bande déposée.
Les rev8tements ainsi réalisés assurent le
plus souvent une fonction de protection du substrat
contre l'environnement ambiant. A l~heure actuelle, bon
nombre d'applications dans la plupart des domaines de
l'industrie (aérospatiale, automobile, électronique,...)
nécessitent la fabrication de matériels et/ou composants
qui doivent fonctionner dans un environnement protégé.
: ~
: . .
2~3899
Or, les perfectionnements apportés par
l'Invention sont de nature à améliorer en particulier
cette fonction de protection, notamment grâce à la possi-
bilité qui est offerte d~appliquer cette ~echnique de
pulvérisation à des matériaux à point de fusion élevé. En
outre, selon l'Invention, il est possible d'obtenir des
formes de projection qui ne sont pas des surfaces de ré-
volution, tout en conférant au revêtement des propriétés
uniformes en tout point de sa surface et correspondant
au~ paramètres caractéristiques suivants donnés à titre
d'exemple : la microstructure, l~épaisseur, la dureté, la
ténacité, la résistance d~adhésion, la porosité, la ré-
sistance à 1~usure la rigidité diélectrique, l'isolation
thermique, la résistance à la corrosion, à l'abrasion,...
lS Des revêtements avec au moins certaines de ces caracté-
ristiques satisfaites de manière précise et uniforme,
sont de plus en plus demandés, notamment dans l'industrie
aérospatiale, et de manière plus générale dans la plupart
des domaines de l'industrie, le mot industrie étant pris
dans son sens le plus large.
La techni~ue de pulvérisation telle que per-
fectionnée par l'Invention n'est pas limitée au dépôt
d~un revêtement sur un substrat, mais elle peut être éga-
lement utilisée pour modifier les propriétés de surface
de divers matériaux, comme par exemple pour enlever une
couche d~oxyde à la surface d~un matériau par un traite-
ment à chaud de cette surface. En particulier, il est
possible de remplacer le fréon utilisé comme-moyen de dé-
contamination de surfaces, sachant que le fréon est un
agent destructeur de la couche d~ozone. Enfin, il est
possible d~utiliser le dispositif de mise en oeuvre du
procédé comme source de chaleur dans des appareils de
soudage ou dans des souffleries à plasma par exemple.
Relativement a~ dessins qui illustrent la réalisation de
;: l'invention:
:- ' : : ,.,, ~ . :' : . . , :':
. "
2~3~9
- la figure 1 est une vue en coupe schématique d'un dis
positif de pulvérisation fonctionnant suivant un pro-
cédé classique de projection au plasma pour déposer unrevêtement sur un substrat,
- la figure 2 est une v~e en perspective schématique d'un
dispositif de mise en oeuvre du procédé conforme à
l~Invention également appliqué au dépôt d)un revêtement
sur un substrat, ::
- la figure 3 est une vue de principe schématique mon
~rant, de façon explicite, les différentes directions
i'introduction du gaz inerte ionisahle dans la chambre
-u dispositif représenté à la figure 2,
- S - -~ la igure 4 est une vue en perspective schématique
~'une variante du dispositif de mise en oeuvre du pro-`
_edé illustré aux figures 2 et 3.
Le dispositif tel que schématiquement repré-
sen~é à la ~igure 1 permet de mettre en oeuvre un procédé
àe pulvérisation classique de dépôt d~un revêtement sur
un substrat par projection au plasma.
Une anode l en cuivre par exemple de forme an-
nuiaire délimite une chambre 2 dont les deux surfaces
d~ex~rémité forment respectivement l'entrée et la sortie
de la chambre. L~entrée de la chambre 2 est évasée vers
l~xtérieur, et sa sortie se prolonge par une buse
d'éjection 3 avec un orifice de sortie 4 de section cir-
culaire. - -
Une cathode 5 sous La forme d'un bâton généra-
le~ent en tungstène thorié est axialement alignée avec1~anode 1, avec une extrémité libre qui péne~tre dans la
partie évasée formant l'entrée de la chambre 2.
Un conduit 10 débouche au voisinage de la ca-
thode S pour introduire suivant l'axe de la chambre 2 un
gaz inerte ionisable, tel que l'Argon par exemple.
Un conduit 12 débouche radialement dans la
-
,
2~389~
buse dléjection 3 pour injecter à l'intérieur de celle ci
un matériau sous forme pulvérulente véhiculé par un gaz
porteur.
Le dispositif est complété par une source de
courant continu 14 reliée aux électrodes 1 et 5, des
moyens de refroidissement (non représentés) de l'anode 1,
et des moyens complémentaires pour satisfaire et optimi-
ser les conditions de fonctionnement néce~saires à la
mise en oeuvre d~un tel procédé de pulvérisation, comme
par exemple la présence d~un champ magnétique pour posi-
tionner, stabiliser et resserrer le jet de plasma à
l~intérieur de la chambre 2, ce champ magnétique étant
par exemple obtenu au moyen d'une bobine 15 montée autour
de l'anode l.
Selon le procédé mis en oeuvre par un tel dis-
positif, on créé un arc électri~ue entre la cathode 5 et
l'anode 1, on lntroduit le gaz inerte coaxialement à
l'arc électrique et son passage à travers celui-ci en-
traîne son ionisation créant ainsi un plasma à haute tem-
pérature à 1~intérieur de la chambre 2. Ce plasma
s'écoule à l'intérieur de là chambre 2 et est accéléré au
travers de la buse d~éjection 3. Les particules du maté-
riau pulvérulent amenées par le conduit 12 sont injectées
dans le jet de plasma s'écoulant à l'intérieur de la buse
3, et elles fondent sous l'action de la haute température
du jet de plasma. Les particules ainsi fondues sont éjec-
tées par l'orifice de sortie de la buse et proietées sur
le substrat 17 pour former une couche de revê-tement 18.
Les perfectionnements apportés selon
~;30 l'Invention sont schématiquement illustrés aux figures 2
et 3.
:La chambre 2 et la buse d~éjection 3 ne sont
plus coaxialement alignées comme précédemment, et
l'orifice de sortie 4 de la buse est en forme de fente.
Plus précisément, la chambre 2 s~tend parallèlement à la
fente de sortie 4 de la buse d'éjection 3 et sur une lon-
:;
:
2~3899
gueur sensiblement égale à celle de la fente. La bused'éjection 3 est divergente et présente en section trans-
versale une forme en tronc de cône, avec une fente
d'entrée 6 qui débouche dans la chambre 2 sur toute la
longueur de celle-ci.
La chambre présente deux surfaces d'extrémité
ou parois 2a et 2b respectivement eraversées par l'anode
1 et la cathode 5. Ces deux électrodes 1 et 5 sont cha-
cune en forme de bâton, et elles sont axialement alignées
l'une avec l'autre. D'une manière similaire au dispositif
représenté à la figure 1, les électrodes l et 5 sont re-
liées à une source de courant continu, la chambre 2 est
entourée par une bobine 15 et des moyens de refroidisse-
ment (non représentés) entourent la chambre 2.
Le gaz inerte est introduit dans la chambre 2
par un ensemble d~orifices 20 répartis autour et le long
de la chambre. Plus précisément, dans llexemple considéré
ici, il est prévu au moins trois rangées 20a, 20b et 20c
d'orifices 20. Les rangées 20a et 20b sont diamétralement
opposées et situées respectivement de part et d'autre de
la fente d~entrée 6 de la buse d~éjection 3, alors que la
rangée 20c est diamétralement opposée à cette fente
d'entrée.
Ainsi, d~une manière imagée, les directions
d~introduction Fl du gaz inerte dans la chambre 2 et la
direction F2 de sortie du plasma forment globalement une
croix grecque à quatre branches (figure 3).
Chaque orifice 20 d'une même rangée 2pa, 20b
et 20c est relié par un conduit de liaison 21 à un
conduit intermédiaire 22 qui communique avec un conduit
principal 23 relié à une source d~alimentation (non re-
présentée) en gaz inerte.
Selon le dispositif conforme à l~Invention, il
peut être avantageusement prévu l'utilisation
d'électrodes tubulair~s 1 et 5, de manière à introduire
également le gaz inerte au travers de ces électrodes.
::
,
. . : .
.
: ~ :
29~3~9l~
Enfin, dans le cas d'un dépôt d'un revêtement
sur un substrat, le dispositif est complété par plusieurs
conduits 12 qui débouchent dans la buse d'éjection 3 pour
y injecter le matériau pulvérulent. Ces conduits 12 sont
par exemple alignés suivant deux rangées opposées 12a et
12b qui s'étendent parallèlement à la fente de sortie 4
de la buse d'éjectlon 4 (figure 2).
Le dispositif conforme à l'Invention reprend
d~une manière générale l~ensemble des moyens nécessaires
à la mise en oeuvre d~un procédé de pulvérisation clas-
sique par projection au plasma, mais selon des disposi-
tions et des fonmes différentes.
En fonctionnement, l~arc électrique créé entre
les électrodes 1 et 5 s~étend sensiblement suivant l'axe
de la chambre 2, c~est-à-dire parallèlement à la fente de
sortie 4 de la buse, et le gaz inerte est introduit dans
la chambre su.ivant plusieurs directions réparties notam-
ment le long et alltour de la chambre et ~ui convergent
radialement et non coaxialement vers l'axe de l'arc élec-
trique et le long de celui-ci.
En variante du dispositif de mise en oeuvre
illustré aux figures 2 et 3, le matériau destiné à former
le revêtement 18 sur le substrat 17 n~est pas injecté à
intérieur de la buse d~éjection 3.
Plus précisément, en se reportant à la figure
4, le corps 3a de la buse d'éjection 3 comporte deux
fentes de sortie supplémentaires 4' ~ui s'étendent sensi-
blement sur toute la longueur de la fente de sortie 4.
. Ces deux fentes 4' sont situées de part et d~autre de la
- 30 fente 4, et elles forment chacune 1'orifice de sortie
d~une cavité 13 ménagée à l~int~rieur du corps 3a de la
buse d~éjection 3. Dans ces deux cavités 13 débouchent
:~ respectivement deux rangées 12a et 12b de conduits 12
d'arrivée du matériau à projeter sur le substrat, de ma-
nière à éjecter le mat~riau au travers de ces fentes 4'
- suivant une direction F3 sensiblement parallèle à la di-
,
'
: , ,;
- ,
~3~99
rection F2 du flux de plasma en sortie de la fente 4 de
la buse dléjection 3.
Selon cette variante les particules du maté-
riau ne sont plus mélangées au plasma à l'intérieur de la
buse d~éjection 3, mais à la sortie de celle-ci, c'est-à-
dire dans une zone où la température du plasma est moins
élevée. Ainsi, on évite de soumettre les matéria~ desti-
nés à former le revêtement aux très hautes températures
du plasma à l'intérieur de la buse d'éjection 3. Il est
alors possible de pouvoir utiliser des matériaux, tels
que des matières plastiques et des polymères par exemple,
clest-à-dire des matériaux pas suffisamment résistants à
la chaleur pour être introduits à llintérieur de la buse
3.
Bien entendu, l'Invention n'est nullement li-
mitée au mode de réalisation décrit précédemment et donné
uniquement à tltre d'exemple dans le cas du depôt d'un
revêtement sur un substrat. En particulier le flux de
plasma en sortie de la buse d'éjection constitue une
source de chaleur qui peut être utilisée pour réaliser
des traitements de surface sans nécessairement projeter
un matériau sur les surfaces à traiter.
,
~;
, ~ , i
..
