Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
2 ~ 0 ~ :
D E S C R I P T I O N
Procédé de préparation et de revêtement de surface et
dispositif pour la mise en oeuvre dudit procéde
La présente invention concerne le domaine des
traitements de surface, plus particulièrement celui des
dépôts superficiels, et a pour objet un procédé de prépa-
ration et de revêtement de surface ainsi qu'un dispositif
5 pour la mise en oeuvre dudit procédé.
Lors d'un traitement de couverture d'un subs-trat
ou subjectile par l'intermédiaire d'un dépôt, les pro-
priétés superficielles du subjectile et la qualité de
l'interface entre la surface dudit subjectile et le maté-
10 riau du dépot jouent un rôle primordial dans la tenue mé-
canique et l'adhérence dudit dépôt.
Ceci est particulièrement vérifié dans le cas
d'une application du dépôt au moyen d'une projection ther-
mique! par exemple par plasma d'arc soufflé ou par chalu-
15 meau.
Actuellement, il existe principalement deuxtypes de préparations d'une surface en vue d'un dépôt, à
savoir les gammes de préparation de surface et les pro-
cédés d'amélioration de l'aspect géométrique de surface,
20 les deux types de préparations étant appliqués dans le
cadre d'un revêtement par projection thermique.
Les gammes de préparation de surface usuelles
comprennent généralement, d'une part, un premier dégrais-
sage grossier, d'autre part, une préparation de surface
25 mécanique au moyen d'ou-tils ou de matériaux abrasifs sup-
portés (polisseuses), en suspension (tonnelage, vibrage~ .
ou projetés (sablage, grenaillage) et, enfin, un second
dégraissage complémentaire.
Néanmoins, ces différentes opérations néces-
30 sitent chacune une installation particulière correspon-
dante, avec adaptation éventuelle de chaque installation à
l'état du subjectile à dégraisser et aux propriétés super-
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ficielles requises.
De plus, les opérations mécaniques de prépara-
tion de surface provoquent sur certains matériaux un en-
châssement de particules au niveau de la surface, néfaste
pour les propriétés ultérieures du dépôt sur le subjectile
ou substrat, ainsi qu'une déformation de ces derniers
lorsqu'ils sont de faible épaisseur.
Par ailleurs, certains matériaux, tels que le
titane, l'aluminium ou leurs alliages, présentent une très
grande affinité pour l'oxygène et se ré oxydent très rapi-
dement après une préparation de surface mécanique. Ainsi,
le temps nécessaire à l'installation du subjectile pré-
paré, sans tenir compte du temps nécessaire à l'extraction
dudit subjectile de l'installation de préparation méca-
nique et à son transport vers l'installation de projectionthermique, est en lui-même déjà suffisant pour aboutir,
sous atmosphère ambiante, à la formation d'une couche
d'oxyde, certes de faible épaisseur, mais toutefois né-
faste pour la tenue mécanique et l'adhérence du dépôt
appliqué ultérieurement.
La présente invention a notamment pour but de
pallier les inconvénients précités et, au-delà, peut per- ;
mettre la poursuite de cette approche au cours du proces-
sus de revêtement.
A cet effet, elle a pour objet un procédé de
préparation et de revêtement de surface de subjectiles,
ledit revêtement étant réalisé par projection thermique
sous atmosphère normale ou contrôlée, caractérisé en ce
qu'il consiste essentiellement à soumettre progressivement
la surface à traiter d'un subjectile à une irradiation
laser, entraînant une élimination totale ou partielle du
film contaminant superficiel et une modification de la
morphologie de la surface sous-jacente du subjectile, et à
projeter, par l'intermédiaire d'un dispositif de projec-
tion thermique, le matériau d'apport sur la zone de sur-
face ainsi préparée, immédiatement après ladite prépara-
tion et en synchronisme avec cette dernière, de sorte
~10100~
qu'en cas de maintien permanent de l'action du laser pen- :
dant la projection du dépôt, la préparation successive de
la surface de chaque couche constituant le dépôt permettra
l'amélioration des propriétés du dépôt.
L'invention a également pour objet un dispositif
de préparation et de revêtement de surface pour la mise en
oeuvre du procédé précité, caractérisé en ce qu'il est
principalement constitué, d'une part, par un dispositif de
projection thermique, par exemple à torche à plasma,
10 d'autre part, par un dispositif de génération de rayon
laser impulsionnel, et, enfin, par un dispositi~ de sup- .
port et de déplacement contrôlé du subjectile à traiter,
la zone d'impact du rayon laser sur le subjectile étant
soit confondue avec la zone d'impact du faisceau de pro-
jection du matériau de dépôt, soit diposée adjacente à
cette dernière dans une direction opposée à la direction
de déplacement du subjectile.
L'invention sera mieux comprise grâce à la des-
cription ci-après, qui se rapporte à un mode de réalisa-
tion préféré, donné à titre d'exemple non limitatif, etexpliqué avec référence aux dessins schématiques annexés,
dans lesquels : .
la figure 1 est une représentation schématique d'un dispo-
sitif de préparation de surface et de revêtement de sur-
25 face conforme à l'invention '
la figure 2 est une vue en coupe d'un subjectile soumis au
procédé de préparation selon l'invention, et
la figure 3 est une vue analogue à celle de la figure 2
représentant le procédé de revêtement de surface selon
30 l'invention.
Conformément à l'invention, le procédé de prépa- ..
ration et de revêtement de surface consiste essentielle~
ment à soumettre progressivement la surface à traiter d'un
subj.ectile à une irradiation laser 2, entrainant une éli-.
35 mination ~otale ou partielle du film contaminant 3 super-
ficiel et une modification de la morphologie de la surface
4 sous-jacente du subjectile 1, et à projeter, par l'in-
.
2 ~
termédiaire d'un dispositif de projection thermique 9, le
matériau d'apport 5 sur la zone de surface 6 préparée,
immédiatement après ladite opération de préparation et en
synchronisme avec cette dernière.
L'action du rayon laser 2 incident sur la sur-
face du subjectile 1 recouverte d'un film 3 de matières
contaminantes résulte en trois phénomènes distincts, à sa-
voir, d'une part, un effet thermique simple, d'autre part,
une vaporisation d'une partie au moins du film contaminant
10 3 créant un plasma de matériaux vaporisés présentant des
vitesses d'éjection importantes, et, enfin, une onde de
choc induite par l'expansion naturelle du plasma.
De plus, le plasma de vapeurs de matériaux in-
duit une onde de choc de compression, de la surface de la
15 partie du film contaminant 3 restante vers le coeur du
subjectile 1, ladite onde de compression étant réfléchie
au niveau de l'interface film contaminant 3 - surface 4 du
subjectile 1 et provoquant ainsi un décollement, une frac-
turation et une expulsion de la partie restante dudit film
20 contaminant 3 (Fig. 2).
Il en résulte une surface du subjectile rendue
parfaitement apte à recevoir le dépôt en une unique opé-
ration de traitement.
Par ailleurs, le dépôt du matériau d'apport 5
25 est réalisé immédiatement après préparation par rayon
laser 2, empêchant ainsi toute formation d'un nouveau film
contaminant 3 superficiel, notamment par oxydation du ma-
tériau du subjectile 1 en surface (Fig. 3) ou condensa-
tion.
La préparation de surface selon l'invention est
avantageusement effectuée au moyen d'impulsions laser suc-
cessives, entraînant une élimination des contaminants par
zones 8 adjacentes, pouvant chacune être soumise à plu-
sieurs impacts consécutifs.
Selon une caractéristique de l'invention, les
valeurs de fréquence d'impact et de surface de zone ;
-
'''' ..- '
~.
:
-- 210100~ ~
d'irradiation laser 8 sont ajustées à la vitesse de dépla-
cement, préférentiellement optimale, du dispositif de
projection thermique 9 par rapport à la surface 4 du sub-
jectile 1, permettant ainsi de synchroniser précisément
l'action du rayon laser 2 avec celle du dispositif 9 et
donc de rapprocher au maximum, pour une zone donnée de la
surface du subjectile, l'instant de la préparation de
surface et celui du dépôt du matériau d'apport 5 par
projection thermique.
En outre, la puissance des impulsions laser peut
avantageusement être réglée de manière à réaliser, en plus
de l'élimination du film contaminant 3, une fusion et/ou
une déformation superficlelle du matériau du subjectile 1
au niveau de la zone d'impact 8 dudit rayon laser 2. La
valeur de la puissance nécessaire pour obtenir ce résultat
dépend, bien évidemment, de l'épaisseur du film contami-
nant 3 et de la nature du matériau du subjectile 1 à
traiter. Il en résulte une surface 4 irrégulière du sub-
jectile 1 après irradiation laser, notamment au centre des
zones d'impact 8, présentant une rugosité élevée favori-
sant l'adhérence du dépôt de matériau d'apport S par pro-
jection thermique consécutive.
Conformément à une autre caractéristique de
l'invention, le procédé de préparation et de revêtement de
surface consiste, lors de l'application de plusieurs cou-
ches 7 superposées de matériau d'apport 5 par dépôts suc-
cessifs (Fig. 3), à réaliser, pour une zone donnée, immé-
diatement avant dépôt de chaque nouvelle couche 7, une
préparation et une modification par rayon laser 2 de la
couche 7 déposée affleurante.
Ainsi, pour une zone donnée du subjectile l, on
élimine, sous l'action permanente du rayon laser 2 impul-
sionnel, les contaminants 3, condensats et particules peu
adhérentes éventuellement présents sur la dernière couche
7 de matériau d'apport 5 déposé lors du passage précédent
du dispositif 9 et, simultanément, on réalise un compac-
tage des couches 7 précédentes, résultant en une diminu-
~01~4
. .
tion sensible de la porosité, ainsi qu'un renforcement de ,
la tenue mécanlque de l'ensemble du revêtement appliqué.
L'invention a également pour objet un dispositifde préparation et de revêtement de surface pour la mise en
5 oeuvre du procédé, constitué, d'une part, par un dispo-
sitif de projection thermique 3, d'autre part, par un dis-
positif 11 de génération de rayon laser 2 impulsionnel,
et, enfin, un dispositif de support et de déplacement
contrôlé du subjectile 1 à traiter, la zone d'impact 8 du ''
10 rayon laser 2 sur le subjectile 1 étant soit confondue
avec la zone d'impact du faisceau de projection 12 du
dispositif 9, soit disposée adjacente à cette dernière
dans une direction opposée à la direction de déplacement
du subjectile 1.
Selon un mode de réalisation particulier de '
l'invention, et comme le montre la figure 1 des dessins : ,
annexés, le dispositif de support et de déplacement réa-
lise, pour le traitement de subjectiles 1 présentant un ,,
axe de symétrie, une rotation dudit subjectile 1 autour de
20 son axe de symétrie, le dispositif de projection thermique
9 et le dispositif 11 de génération de rayon laser 2 étant ~ '
disposés autour dudit subjectile 1 de manière te~le que la
direction de propagation du rayon laser 2 et la direction ,
du faisceau 12 de projection du matériau d'apport 5 soient j:.', :
25 proches de la normale à la surface du subjectile 1,
l'angle entre les deux faisceaux 2 et 12, de préférence le '
plus petit possible, étant adapté à la géométrie et à -'
l'encombrement de la pièce.
A titre d'exemple de réalisation pratique, il , ,
30 est décrit ci-après les dispositifs mis en,oeuvre, les ' ~-
réglages des paramètres de préparation de surface et de
dépôt ainsi que les résultats obtenus pour un dépot de
matériau d'apport 5 constitué de A12O3 à 60 % en poids
et de TiO2 à 40 % en poids, sur un subjectile consi.stant
35 en du AU4G.
Le dispositif 11 de génération des impulsions
laser se présente 50U5 la forme,d'un laser YAG-Nd
2101~0~
- 7
déclenché, connu sous la désignation 502 DNS de la société
BMI, dont la longueur d'onde est de 1,06~m, la durée des
impulsions de 12 ns, la puissance par impulsion jusqu'à
700 mJ, et le diamètre du spot d'environ 8 mm, et permet-
tant d'éliminer, par exemple, des films contaminants 3
ayant des épaisseurs jusqu'à 0,25 ~ (oxyde de titane). -
Le dispositif 9 de projection thermique peut
consister en un poste de projection par plasma atmosphé-
rique classique, dont la vitesse de déplacement relative
optimale de la torche 10 par rapport au subjectile 1 est
de 75 m/mn et la distance moyenne de projection de 0,13 m,
l'épaisseur de la couche 7 de matériau d'apport 5 déposée
à chaque passage étant d'environ lOJ~m. ~-
Après dépôt de plusieurs couches 7 de matériau
d'apport 5, avec action permanente du laser sur les sur-
faces avant projection thermique, des tests comparatifs
ont révélé, pour le cas pratique précité, une réduction
importante de la porosité des dépôts (de l'ordre de 70 %)
et une augmentation remarquable de l'adhérence desdits
dépôts au subjectile 1 (de l'ordre de 400 %) par rapport à
des dépôts effectués sans action due au rayon laser 2.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au
mode de réalisation décrit et représenté aux dessins an-
nexés. Des modifications restent possibles, notamment du
point de vue de la constitution des divers éléments ou par
substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour
autant du domaine de protection de l'invention.
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