FR2642672A1

FR2642672A1 - Appareil et procede de pulverisation sous plasma par un laser a flux axial

Info

Publication number: FR2642672A1
Application number: FR9000501A
Authority: FR
Inventors: Eric James Whitney; Vanon David Pratt; Wilbur Douglas Scheidt; William Rollin Young
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1989-02-08
Filing date: 1990-01-17
Publication date: 1990-08-10
Anticipated expiration: 2010-01-17
Also published as: JPH02247370A; GB2228428A; GB9002569D0; DE3942050A1; FR2642672B1; JP2683134B2; GB2228428B; CA2005532C; DE3942050B4; US5043548A; IT8922604A0; IT1237857B; CA2005532A1

Abstract

La présente invention concerne un appareil de pulvérisation sous plasma par laser pour déposer un matériau source sur un substrat 114. Cet appareil comprend une buse 108 munie d'une chambre de confinement de plasma 128 dans laquelle est focalisé un faisceau laser 146, le point focal étant à une distance suffisamment éloignée du substrat pour que celui-ci ne soit pas fondu. Un matériau source finement divisé est fourni axialement dans un débit de gaz porteur dans la chambre de confinement selon la direction du faisceau laser et est fondu dans le plasma formé par l'interaction du faisceau laser, du matériau source et du gaz au point focal. Le matériau source fondu est alors dirigé pour se déposer sur le substrat, l'énergie du substrat étant principalement confinée à l'intérieur de l'appareil par la chambre de confinement 128 et un resserrement 134 en amont de la chambre de confinement.

Description

APPAREIL ET PROFEDÉ DE PULVERISATION SCOUS PIASMA

PAR UN LASER A FLUX AXIAL

La présente invention concerne la fusion, la vapori-

sation et la pulvérisation de matériaux, et plus particulièrement

une telle pulvérisation induite par chauffage laser.

Dans de nombreux systèmes de matériaux modernes, il est nécessaire d'ajouter des couches d'un matériau à un substrat existant. Dans oertains cas, un revêtement d'un matériau dur et

résistant à l'usure est déposé sur un matériau fort et ductile.

Le coxposite résultant fournit un composant structurel qui pré-

sente de bonnes propriétés mécaniques, telles que la dureté, la ductilité, la résistance à la fracture, et présente également une

surface qui ne s'use pas rapidement dans des environnements éro-

sifs et/ou corrosif. Dans une autre application, une pièce peut être réparée en ajoutant au substrat un rnouveau matériau de même composition que le substrat, en accumulant progressivement une oertaine épaisseur du matériau ajouté pour remplaer oelle qui peut avoir été perdue pendant l'utilisation. De nombreuses autres

applications d'un revêtement se développent en raison de la sou-

plesse permise dans la réalisation de systmes de matériaux à la demande.

Les couches du matériau peuvent être ajoutées au subs-

trat de diverses façons, selon le substrat, le matériau ajouté, et les performances requises. Le matériau ajouté peut être fourni sous forme massive et straLtifié, lié ou collé au substrat. A titre de variante, le matériau à ajouter peut être fourni sous une forme différente de sa configuration finale et appliqué au

substrat par atomes, souvent dans son état fondu ou de vapeur.

Dans de nombreux cas, ce dernier type d'approche est préférable

pour produire une exellente liaison du matériau ajouté au subs-

trat et pour produire un produit final bien contrôlé.

Selon une approche largement utilisée, un plasma est forme par un arc électrique. Une poudre métallique dans un flux gazeux est dirigée à travers le plasma, amenant le métal à

fondre, au moins partiellement. Le métal fondu est alors pulvé-

risé ccntre un substrat o il se solidifie en tant que couche de revêtement ou couche accumulée. La pulvérisation par plasma et d'autres systèmes similaires ne s'appliquent pas en pratique à certains métaux, tels que par exemple des alliages de titane pulvérisés dans un environaement atmosphérique. Quarnd on opère

sous vide, la technique devient coûteuse.

Des techniques basées sur l'utilisation d'un laser coame souroe d'énergie ont été proposées. Par exemple, les brevets des Etats-Unis d'Amérique 4 200 669 et 4 724 299 qui seront considérés ici comme connus ont prévu des procédés et un appareil qui sont dits être efficaces pour fondre des matériaux en poudre et les déposer sur le substrat. Toutefois, l'expérierne a montré que s apçproches sont inefficaces pour déposer un matériau source à haute vitesse sur le substrat. Toutefois, la viabilité fodamantale d'une source de chauffage à laser a été

établie.

Ainsi, en csuer, il existe un besoin pour un appareil utilisant une source de chaleur à laser pour le dépôt sous plasma d'un matériau source finement divisé et qui atteigrne des vitesses et des rendements de dépôt élevés. Un tel appareil

doit pouvoir être contrôlé et présenter une certaine souplesse.

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La présente invention atteint cet objet et assure les avantages afférents. La présente invention prévoit un appareil et un procéd de pulvérisation sous plasma par laser qui permet des vitesses et des rendements de dépôt élevés de particules finement divisées pour une large gamine de matériaux source. L'appareil peut être contrôlé sur une large ganmme de vitesses de dépôt, de valeurs de

chauffage du substrat, et de types de matériaux souroe. La dimen-

sion (largeur et épaisseur) de la couche déposée peut être contrôlée en réglant des paramétres du laser et de fcnctioeimnt tels que la hauteur de base, la vitesse de fourniture de poudre, la vitesse de passage de pièce, la vitesse d'écoulement des gaz,

et la configuration de buse.

Selon la présente invention, un appareil de pulvéri-

sation sous plasma par laser comprend un laser; un systMe optique propre à focaliser le faisceau du laser vers un volume d'interaction, le point focal du laser étant au-dessus de la surfaoe du substrat de sorte que le faisceau diverge quand il frappe le substrat; des moyens pour fournir un matériau souroe et un débit de gaz vers le volume d'interaction dans lequel, pendant le fonctEioement, un plasma est formé et o au moins une partie du matériau source est fondu; et des moyens pour conxfiner le plasma et le matériau source fondu et pour diriger le plasma

et le matériau souroe fondu vers le substrat.

Il s'est avéré Dnécessaire de confiner le plasma formé au point focal du faisceau laser pour atteindre des vitesses et des rendements de dépôt élevés. Si le plasma n'est pas confiné, il s'étend latéralement vers l'extérieur et réduit sensiblement le rendement de dépôt et la densité de dépôt. La pulvérisation sous plasma par laser diffère de la soudure sous plasma (ou trou

de serrure) en oe que le faisceau du laser est suffisamment défo-

CalaSe pour que le substrat ne soit pas fondu lors de la pulvéri-

sation sous plasma par laser, tandis que les régions superfi-

cielles du substrat sont fordues par le faisceau laser lors d'une soudure plasma. La soudure plasma nécessite un chauffage beaucoup

plus iportant et en conséquen une fusion du substrat, le maté-

riau source étant fourni dans la région de la soudure plutôt que d'étre fondu puis déposé sur une surface non fondue. Au oentraire, lors d'une pulvérisation sous plasma par laser, le point focal du laser et la partie centrale du plasma sont mainte- nus & ure distance suffisae t grande par rappport à la surface du susbstrat pour que le substrat ne soit pas fondu. De point focal du laser dans l'appareil à pulvérisation sous plasna par laser est habituellement maintenu à une distance d'au moins 2,5 à 15 an du substrat, réduisant le chauffage du substrat et évitant

complètement une fusion du substrat.

Dans un mode de réal sation utilisant une buse avec une chambre de confinement, l'appareil de pulvérisation sous pla3Ta par laser cornporte une buse coeprenant une enveloppe externe tronconique, une enveloppe interne troconique de dimension conique plus faible que i 'enveloppe externe et s' adaptant dans celle-ci, les axes des trcos de cÈnes interne et exterre étant

en incidence, 1 'enveloppe externe et l'enveloppe interrn défi-

nissant entre elles un passage annulaire, et un prolongement cylindrique creux de 1'enveloppe externe dont l'axe cdirnide avec les axes des trax.s de comes externe et interne, le prolongement cylindrique formant une chambre de oonfinement de plasma; un laser; un système optique ayant une configuration propre à diriger le faisceau du laser le long de l'axe tranznique des

enveloppes externe et interne vers un point focal situé à l'inté-

rieur du prolongement cylinfrique; un système d'alimentation en gaz oi,, uniquant avec l'intérieur de l'enveloppe interne, créant un débit de gaz de formation de plasma à partir de l'enveloppe

interne vers le prolongement cylindrique; et un système d'ali-

mentation omaminiquant avec le passage annulaire entre l'enve-

lcpçe interne et l'enveloppe externe et adapté à y introduire un débit du matériau source firement divisé mélangé à un gaz porteur. Dans ce mode de réalisation, un flux de poudre fluidisé

est introduit vers la buse dans l'anneau oompris entre les enve-

loppes interne et externe. Un flux de gaz séparé le long de l'axe de l'enveloppe entraiLr la poudre dans la chambre de confinement

du prolongement cylindrique, o le faisceau laser est focalisé.

L'interaction des gaz, de la poudre et de l'énergie du faisceau laser crEé un plasma qui devient alors une source d'énergie rayonant de façzon indepeidante et auto-entretenue. Une partie de la poudre est fondue et contribue directement au maintien du plasma, une partie de la poudre est fondue pour former des gouttelettes, et une autre partie de la poudre peut, de façgn

intentionnelle ou rnon, demeurer rnon fondue. La chambre de confi-

nement et les débits de gaz empihent le plasma et le matériau source fondu de s'étendre longitudinalement ou en retour vers le laser, de sorte que la seule direction de sortie se fait vers !'extérieur à partir de la buse vers le substrat. Le débit de gaz

s'écoulant le long de l'axe aide également à propulser le maté-

riau source fondu vers le substrat.

Comme on l'a noté p'réc ent, cette approche de

pulvérisation sous plasma par laser doit être nettement distin-

guée de la soudure laser qui prend place quand le point focal du faisceau laser et assez proche du substrat et avec une assez haute énergie pour que la surface du substrat fonde. Le point focal du laser est externe à l'appareil dans la soudure laser, pour chauffer et fondre directement le substrat de sorte que tout matériau souroe, si on en utilise, puisse être ajouté direotement à la régiocn de soudure. Dans la pulvérisaticn sous plasma par laser, la souroe de chauffage primaire pour fondre le matériau source est confinée dans l'appareil, ome,, dans la pulvérisation sous plasma classique par arc électrique, et le métal fondu est propulsé vers le substrat. Le substrat n'est pas directement chauffé par le laser, sauf accessoirment dans la mesure o une certaine partie de l'énergie laser passe à travers le plasma, sans être absorbée par celui-ci, et atteint en crséquerOe le substrat dans un état largement défocalisé présentant une faible densité d'énergie de faisceau. Le plasma peut s'étendre en dehors de l'intérieur de l'appareil sur une certaine distance sous l'effet de l'écoulement du gaz formant le plasma, mais n'est pas suffisamment intense à la surface du substrat pour provoquer la

fusion. La pulvérisation sous plasma par laser présente l'avan-

tage très notable de permetLLe de déposer le matériau souroe sur le substrat sans affecter indûment la microstructure métal-

lurgique du substrat.

Plus spécifiquement, en oe qui concerne un mode de réalisation particulier, 1' appareil de pulvérisation sous plasma par laser comprend un laser propre à focaliser son faisoeau vers un volume d'interaction; une chambre de confinement de plasma dans laquelle le volume d'interaction est situe, comprenant une

paroi de confinement latéral, une chambre d'alimentation en pou-

dre entre le laser et la paroi de ccnfinment, et une gorge de dimensions réduites entre la paroi de confirment et la chambre d'alimentation en poudre, à travers laquelle passent le faisceau

laser pour atteindre le point focal du laser; un système d'ali-

mentation en poudre pour fournir un matériau source en poudre vers la chambre d'alimentaticn en poudre dans un flux de gaz porteur; et un système d'alimentation en gaz qui déplaoe la poudre à partir de la chambre d'alimentation en poudre vers la

chambre de confirnment dans un flux de gaz formateur de plasma.

Dans ce mode de réalisaticn, une gorge située entre la paroi de confio ent et la chambre de source de poudre aide à confiner le plasma et à répartir la poudre tandis qu'elle est fournie à la chambre de confinment. Le confineent s'opposant à un rétrcéooulement du plasma vers l'appareil dépend peu de la valeur de l' éculement gazeux, ce qui permet une plus grande

flexibilité dans le contrôle des écoulements gazeux du gaz flui-

disant et du gaz à flux axial.

La présente invention concerne également un procédé de pulvérisation sous plasma par laser. Sous cet aspect, un procédé de dépôt d'une couche de matériau souroe sur un substrat comprend

les étapes suivantes: prévoir un laser ayant un point focal au-

dessus de la surface du substrat, le point focal étant suffisam-

ment éloigré de la surface du substrat pour que celui-ci ne soit pas fondu; former un plasma dans la région du point focal du laser; ajouter un matériau source finement divisé au plasma pour fondre au moins une partie du matériau source; et diriger le

matériau source fondu vers le substrat.

De préférence, le procédé ocemrend également l'étape supplémentaire consistant à prévoir une chambre de cnfiement

autour du point focal du laser, la chambre de confinement compre-

nant une paroi latérale à extrémités ouvertes qui permet au fais-

ceau laser d'entrer à une extrémité et de sortir à l'autre.

L'appareil de pulvérisation sous plasma à flux axial

selon l'invention procure des avantages importants dans la tech-

nique des dépôts. Un plasma est produit dans l'appareil de dépôt pour fondre le matériau souroe, de sorte que le matériau source fondu est déposé sur une surface de substrat solide et nonr fondue. Le plasma peut être contrôlé mais est maintenu à une

distance telle que le substrat n'est pas fondu. D'autres caracté-

ristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la

lecture de la description plus détaillée suivante d'un mode de

réalisation particulier faite en relation avec les dessins joints parmi lesquels: la figure 1 est une vue de face de l'appareil selon la présente invention; et la figure 2 est une vue de coté en coupe d'une partie

de l'appareil de dépôt de la figure 1.

La présente invention est mise en oeuvre dans un appareil de pulvérisation sous plasma par laser 100 illustré de façn géérale en figure 1. L'appareil 100 comprerndi un laser 102 fournissant un faisceau qui, quand il est focalisé par un systène optique 104, présente une densité de puissance suffisante pour - former un plasma et foodre une source de matériau finement divisée. Le faisceau du laser 102, d'axe 106, est focalisé de façin cvergente par le systèe opctique 104 et entre alors dans

une buse de pulvérisation 108 dont la structure et le facxtion-

rnment seront décrits plus en détail ci-après. Dans la buse 108, un plasma est formé et le matériau source est fondu. Le matériau souroe fandu est éjecté sous forme d 'un pulvérisatiou 110 pour former une cruc de dépôt 112 sur un substrat 114. Le plasma est pour sa plus grande partie citenu dans la buse 108 et la surfaoe du substrat 114 n'est pas fondue. La distance, en fonctioement, entre l'extrémité de la buse 108 et le substrat 114 est typique- ment de 2,5 à 15 an. La pulvérisation 110 peut être étroite et

très unidirectionnelle de sorte que la oouche 112 a approximati-

vement la largeur de 1 'ouvertue d'éjection 114 à l'extrémité de

la buse 108.

Camte le représente la figure 2, la bise 108 comtrend une enveloppe externe 118 qui est vissée sur l'e émité du systtme optique 104, permettant à l'enveloppe externe 118 d'être déplacée de façon réglable en se rapprochant et en s'éloignant du laser 102. La surface externe de l'enveloppe externe 118 a une forme ger_.rale cylindrique. ta surface interne de l'enveloppe

externe 118 comprerd une surface tr.xxn-_ique 120 à son extrémité.

Une enveloppe interne 122 est disposée dans l'enveloppe externe 118 à laquelle elle est fixée par vissage. Les enveloppes 118 et 122 sont toutes deux creuses, avec le même axe central qui

oïincide avec l'axe 106 du faisceau. La surfaoe extern du boi-

tier interne 122 coprernd une surfaoe trrique 124 à son extrnmité. Les deux surfaces trcixxniques 120 et 124 se font faoe, oe qui définit un passage annulaire 126 entre elles. Un déplacerent axial relatif de l'enveloppe interne 122 et de l'enveloppe externe 124 augcmente ou réduit la section du passage

anrulaire 126.

A l'extrémité de l'enveloppe extern 118 se troeue une chambre de confinement 128. La chambre de ofineent 128 a de préférence une forme cylindrique et est formée d'une strcture à paroi creuse de sorte que de l'eau de refroidissement peut circuler à l'intérieur de cette structure par des conduites d'eau de refroidissement 130. L'extrémité de la chambre de ocnfiirent

128 foae l'ouverture de sortie 116.

Dans un mode de réalisation, la surface interne 132 de la chambre de confinement 128 est cylindrique sur toute sa

logueur, l'axe du cylindre oinciidant à l'axe 106 du faisceau.

De façon enore préférable, la surface interne 132 de la chambre de confirment 128 est cylirndrique sur une partie de sa laongueur adjaoente à l'ouverture d'éjection 116, mais caprend également une gorge 134 de section réduite disposée axialement entre les

parois, cette gorge s'évasant à partir de l'axe du faisoeau 106.

La gorge 134 est adjacente à l'extrémité inférieure de la surfaoe

traiique 120 du logement externe 118.

Un matériau source finement divisé, de préférence sous forme de poudre, est introduit dans l'appareil 100 par le passage annulaire 126. La poudre est initialement contenue dans une souroe de fourniture de pcudre (rnn représentée dans les figures) et est fluidisée dans un flux de gaz porteur circulant dans un tube de gaz porteur 136. La poudre fluidisée s'écouxle dans une pluralité de tubes d'alimentation en poudre 136 qui comprennent

typiquement 2 à 4 tubes également espacés autour de la circoxnfé-

renoe de l'appareil 100 et, de là, vers des entrées d'injecticn

142 disposées symétriquement en amont du passage annulaire 126.

Un autre flux de gaz est également prévu vers la buse 108. Un flux axial d'un gaz formateur de plasma est fourni par une conduite d'écoulement de gaz axial 148 qui cmnmunique avec l'intérieur de la buse 108, ou bien à travers la paroi de la buse ou bien à travers la paroi du système optique 104 dans le mode de réalisation representé. Le gaz formateur de plasma s'écoule à partir de la condxuite 148 par l'intérieur de la buse 108, par les ouvertures définies par les surfaces tronconiques 120 et 124, et par la chambre de confinement 128, vers la sortie d'éjection

116. Le débit de gaz axial protège le système optique d'un endom-

magement, aide à la formation du plasma, et porte le matériau

frondu vers le substrat.

t e faisceau 146 du laser 102 est focalisé par le système optique 104 vers un point focal 150 qui est sur l'axe 106 du faisceau et dans la chambre de confix ent 128. Le point focal est suffisamment loin de la surface du substrat pour que la oombinaison du chauffage direct et du chauffage par plasma ne soit pas suffisante pour fondre la surface du substrat. Dans le moxde de réalisation représenté comprenant la gorge 134, le point

focal 150 est de préférenoe dans la région en pente vers l'exté-

rieur en dessous de la gorge 134. Ainsi, le resserrement le plus étroit de la gorge 134 se trouve entre le point focal 150 et le

laser 102.

De préférence, le matériau source finement divisée forme un oe inversé tandis qu'il sort de la gorge 134. Ce cfxe

de matériau source a un point focal qui peut être réglé, c'est-à-

dire que le point focal du matériau source peut être déplao vers la gorge 134 ou s'en écarter. Un tel réglage du point focal du matériau source est réalisé en faisant tourner l'enveloppe interne 122 par rapport à l'enveloppe externe 124. Une telle rotation déplace l'enveloppe interne 122 axialement et agrandit ou réduit le dimension du passage annulaire 126, en particulier au niveau de son extrémité inférieure. Quarnd le passage 126 est réduit en dimension, le cfôe de matériau source et son point focal sont également modifiés. Le point focal du matériau souroe et le point focal du faisceau laser peuvent être réglés pour

cdincider.

La densité de puissance du faisceau 146 est plus élevée au point focal 150. Si la densité de puissance est suffisamment élevée à cet emplacement, l'interaction entre le gaz axial, le gaz porteur, la poudre, et l'énergie du faisceau laser entraîne la formation d'un plasma 152. Le plasma est un nuage fortement

ionisé d'ions et d'électrons qui atteint une température extré-

mmemnt élevée dans un volume limité. Dans ce volume d'inte-

raction, une partie des atomes du matériau souroe dans la pcadre est vaporisée. L'énergie du faisoeau laser sépare les électrons des atomes du gaz fonrmateur de plansma et les atcmes du matériau source vaporisé. Le plasma, une fois initialisé ou "allum" s'auto-entretient si le débit de gaz et le faisceau laser sont maintenus. Une partie du matériau source finement divisé est fcndue dans le plasma et d'autres parties peuvent rester non fondues, intentionnerllement ou non. L'éculeament se prolocreant du gaz formateur de plasma dans la région de formation de plasmna et vers le substrat amène le matériau souroe fondu et non-fcndu à être éjecté à partir de la buse 108 par l'ouverture 116 formant la pulvérisation 110 qui se dépose sur le substrat 114 en tant que couche 112. La couche 112 contient en consquence du matériau source qui a été fondu- dans le plasma et qui est resolidifié quand il frappe le substrat et éventuellement du matériau source

qui n'a jamais été fondu dans le plasma. Dans certaines utilisa-

tions, par exemple lors de l'application de revêtements résistant à l'usure, il peut êtreL souhaitable qu'une partie du matériau source reste non fondue. Par exemple, le matériau souroe peut romprerdre une poudre de céramique finement divisée qui, quand

elle est déposée sous forme de particules sur la surface du subs-

trat, augmente la résistance à l'usure du substrat.

Une caractéristique inmportante de l'appareil de pulvé-

risation sous plasma par laser 10 réside dans le confinement partiel du plansma 152 à l'intérieur de l'appareil. Le plasma 152 est confiné latéralement par la chambre de confinemnt 128. Il est confiné à l'encontre d'un déplacement vers le laser 102, c'est-à-dire en retour à l'intérieur des enveloppes 118 et 122 par le débit de gaz axial, de gaz porteur, et de matériau souroe en poudre. Pour assurer ce onfinement, il s'est avéré que les débits devaient être assez élevés, rnduisant les variations de plage de focrtionnement possibles. Dans une approche préférée,

l'établissement du point focal 150 du laser 102 (et ainsi l'ori-

gine du plasma) à un emplacement situé dans la gorge 134 en dessous de la région de diamètre plus étroit de la gorge s'est avéré aider notablement au confirement du plasma et 1 'empcher de

s'étendre en retour vers l'intérieur des enveloppes 118 et 122.

Ainsi partiellement confiné, le plasma 152 est libre de s'étendre dans une seule direction, vers le bas de la chambre de confinement 128 vers le substrat 114. Cette extension s'observe

lors du fonctionnement et s'étend de fagçon générale vers l'exté-

rieur à travers l'ouverture 116. L'étendue de l'extension vers l'extérieur du plasma dépend essentiellement de la vitesse d'écoulement des gaz dans la chambre de cxnfinement 128 et de la densité d'énergie laser au foyer 150 du laser. En tout cas, le plasma s'étendant en dehors de la buse ne chauffe pas le substrat suffisamment pour le fondre.. Si on le souhaite, le plasma peut être intentionnellement réduit de sorte que presque tout le

plasma est contenu dans la chambre de confinement 128 avec seule-

ment une faible extension du plasma en dehors de l'ouverture 116. Il y a une plage considérable de contrâle possible de la dimension du plasma et de son extension dans l'appareil selon

l' invention.

Le chauffage du substrat est influencé par le plasma, un plasma entièrement contenu dans l'appareil 10 chauffant le substrat seulement d'une relativement petite quantité par le rayonnement s'éterndant à travers l'ouverture 116. Le substrat est également chauffé par l'énergie libéré quand les atomes déposés se solidifient et par l'énergie du faisceau laser qui est transmis par 1'intermédiaire du plasma et atteint le substrat dans un état défocalisé. Ces contributions au chauffage sont relativement faibles et il s'avère que le dépôt sur le substrat

est ac pli sans fusion du substrat ou modification de sa struc-

ture métallurgique, pour des substrats ayant des points de fusion MDdéTlent élevés. Au contraire, quand le point focal du laser est en dehors du système, de sorte qu'un plasma est formé prés du substrat ou en contact avec celui-ci, comme dans la soudure

laser, le substrat est presque toujours fondu et/ou considéra-

blement modifié dans sa structure.

Les détails structurels et opérationnels ci-après d'un mode de réalisation de la présente invention sont donnés à titre d'informations supplémentaires et non pas de limitation. Dans un tel mode de réalisation, la chambre de confinement a un diamètre

interne de 1 cm. Le diamètre minimal de la oLre est de 0,6 cm.

L'écartement ou la dimension du passage annulaire est typiquement de 0,15 cm mais est failement réglable. La longcueur de la buse est d'environ 10 cmn, mais cette dimension n'est pas critique. Le laser est un laser à dioxyde de carbone fonctionnant à un niveau

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de puissance d'au moins 2,5 kilCowatts en mode continu. Plusieurs gaz et mélanges de gaz différents ont été utilisés pour le débit de gaz axial formateur de plasma, tel que l'argon, l'azote, l'hélium, l'hydrogène, 1'oxygène, le dioxyde de carboone et leurs mélanges. Des gaz utilisés comme gaz porteurs de poudre ont été argon, azote, hélium, hydrogèna, oxygène, dioxyde de carbone et

leurs mélanges. Divers matériaux souroes métalliques et non-

métalliq/s et leurs mélanges peuvent être déposés, incluant des céramiques, des mélanges de céramiques et des mélarnges métal/ ceramique. Ces matériaux incluent des alliages de titane tels que Ti-6A1-4V, tungstène, alliage de cobalt, alliage de nickel tel que Inonels et Hastelloy X, des cramiques telles que des oxydes

d'aluminium, de chrome et de zirconium, et des matières plas-

tiques. Le substrat, la buse, ou les deux, sont déplacés de sorte qu'il existe un mouvement relatif entre le substrat et la buse. De préférence, la buse est fixe et le substrat est déplacé automatiquement sous la buse sur une table électrcmcanique ayant des axes de déplaoement X et Y, le déplacement étant sous la cxmiande d'un ordinateur en o qui conoerne la vitesse et la

direction du déplacement.

Les exemples ci-après sont présentés pour illustrer des aspects de l'invention et ne doivent pas être considérés co me la

limitant d'une façon quelconque.

Exemple 1

L'appareil représenté a été utilisé pour une pulvéri-

sation sous plasma par laser d'Hastelloy X de dimension de poudre de 38 à 75 micrmtres sur un substrat d'Hastelloy X protégé par de l'argon come gaz de revêtement. Le laser a été mis en fncttionrement à une puissance de 3,4 kW, avec une distanc

focale de 18,5 cm (7,5 pouoes). Le débhit total de gaz de fluidi-

fication et de gaz axial était de 1,4 m3 à l'heure d'arion, et le débit de poudre était de 7 grammes par minute. La buse était à environ 4 ancm (1,5 pouoe) au-dessus du substrat. Le substrat était déplacé devant la buse à une vitesse de 16 m par minute. La couche déposée avait une largeur d'environ 0,25 ancm et une hauteur d'environ 0,0025 ancm. La couche était bien liée au substrat. Une certaine porosité et une rugosité de surface ont été observées

dans la couche quarnd elle était inspectée métallographiquementExemple 2

Tes conditions de l'exemple 1 ont été répétées sauf que le gaz formateur de plasma était un mélange à parties égales d'argon et d'azote. Les résultats étaient sensiblement identiques sauf que le dépôt de l'exemple 2 présentait une meilleure qualité

de surface.

Exemple 3

Les conditions de l'exemple 2 ont été répétées sauf que le gaz formateur de plasma était un mélange d'argon et de 5 pour cent en volume d'hydrogn et que le débhit de fourniture de poudre était de 10,5 granmmes par minute. Les résultats étaient

similaires à ceux de l'exemple 2.

Exemple 4

L'appareil représenté a été utilisé pour une pulvéri-

sation sous plasma par laser de Ti-6A1-4V ayant une dimension de

poudre de 65 à 100 micromatres sur un substrat de Ti-6A1-4V pro-

téé par de l'argon en tant que gaz de couverture. Le laser était actionrn à une puissance de 5 kW avec une distance focale de 12,5 ancm. Le débhit total de gaz fluidisant et axial était de 1,1 m3 par heure d'argon, et le débhit de poudre était de 10 grammes par minute. La buse était à 5 cmn audessus du substrat. Le substrat était déplacé devant la buse à une vitesse de 2,5 mètres par

minute. Une couche a été déposée avec sucKs sur le substrat.

Example 5

Les conditions de l'exemple 4 ont été répétées sauf que le gaz de revêtement était un mélange d'argon et d'hélium, le débit d'argon étant de 0,85 m3 par heure et le débit d'hélium de 0,15 m3 par heure. La hauteur de la buse par rapport à la surface était de 2,5 cm. Par ailleurs, les paramétres de fcoetionneent

et les résultats étaient similaires.

Exemple 6

L'appareil représenté a été utilisé pour une pulvéri-

sation sous plasma par laser de tungstOne avec une dimension de poudre de 38 à 75 micromètres sur un substrat de cuivre protégé par de 1' argon en tant que gaz de revêtement. Le laser a été mis en fcnctiornnment à une puissance de 5 kW et avec une distance focale de 12,5 cmn. Les gaz fluidisants et axiaux étaient un nmélange d'argon et d'azote, le débit d'argon étant de 0,85 m3 par heure et le débit d'azote de 0,28 m3 par heure. Le débit de poudre était de 22 grammes par minute. La buse était à 2,5 cm au-dessus du substrat. Le substrat a été déplacé devant la buse à une vitesse de 1 m par minute. Une couche a été déposée avec

succès sur le substrat.

Exemple 7

L'appareil représenté a été utilisé pour une pulvéri-

sation sous plasma par laser d'un alliage Inconel 718 à base de nickel avec une dimension de poudre de 45 à 75 micrL,.tres sur un substrat d'alliage d'Inconel 718 protégé par de l'argcn en tant que gaz de revêtement. Le laser était mis en fonctionnement à une puissance de 3,5 kW avec une distance focale de 12,5 man. Le débit total gaz fluidisant et axial était de 1,1 m3 par heure d'argon, et le débit de poudre était de 6 grammes par minute. La buse était à 2,5 cm au-dessus du substrat. Le substrat était dépla devant la buse à une vitesse de 1 m par minute. Une couche a été

déposée avec succès sur le substrat.

Exemple 8

L'appareil représenté a été utilisé pour une pulvéri-

sation sous plasma par laser d'un mnélange de poudre de 60 % en poids d'argent et de 40 % en poids de carbure de tungstène, avec une dimension de poudre de 38 à 75 micromatres, sur un substrat

de cuivre protégé par de l'argn en tant que gaz de revêtement.

Le laser a été actionié à une puissance de 4 kW, avec une dis-

tance focale de 12,5 ancm. les gaz fluidisants et axiaux étaient un mélarnge d'argon et d'azote, le débit d'argon étant de 0,85 m3 par heure et le débit d'azote étant de 0,28 m3 par heure. Le débit de poudre était de 20 grammes par minute. La buse était à 2,5 an au-dessus du substrat. Le substrat a été déplacé devant la buse à une vitesse de 1 m par minute. Une couche a été déposée avec

succès sur le substrat.

Exemple 9

L'appareil représenté a été utilisé pour pulvériser sous plasma par laser un mélange poudreux de 0,70 % en poids d'alliage de nickel et de 30 % en poids d'oxyde d'aluminium, ayant une dimension de grain de poudre de 38 à 75 micromatres, sur un substrat d'Inconel 718 protégé par de l'argon en tant que gaz de revêtement. Le laser était actionré à une puissance de 4 kW avec une distance focale de 12,5 cm. Les gaz fluidisants et axiaux étaient un mélange d'argon et d'azote, le débit d'argon étant de 0,85 m3 par heure et le débit d'azote de 0,28 m3 par heure. Le débit de poudre était de 10 grammes par minute. La buse était à 2,5 an au-dessus du substrat. Le substrat était déplacé devant la buse à une vitesse de 2,5 m par minute. Une couche a

été déposée avec suocès sur le substrat.

Exemple 10

L'appareil représenté a été utilisé pour pulvériser sous plasma par laser un mélange poudreux de 92 % en poids d'oxyde de zirconium et de 8 % en poids d'oxyde d'yttrium, ayant une dimension de poudre de 45 à 75 micrc, tres sur un substrat d'Inconel 718 protégé par un gaz de revêtement en argon. Le laser a été actioané à une puissance de 50 kW avec une distance focale de 12,5 cmn. Les gaz fluidisants et axiaux étaient un mélange d'argon avec 2 % en volume d'oxygène, le débit total étant de 1,1

m3 à l'heure. Le débit de poudre était de 10 grammes par minute.

La buse était à 5 ancm au-dessus du substrat. Le substrat était

déplacéo devant la buse à une vitesse de 2,5 mètres par minute.

Une couche a été déposée avec succs sur le substrat.

Ces exemples montrent qu'une grande variété de maté-

riaux et de mélanges peuvent être pulvérises avec succ's en utilisant la technique de pulvérisation de poudre par laser dans diverses conditions. La présente invention faournit ainsi un

outil tres souple pour déposer des matériaux sur des substrats.

Bien que la présente invention ait été décrite en relation avec des exemples des modes de réalisation particuliers, diverses variantes et modifications en apparaitroet à l'homme de l'art.

Claims

REVENDICATIONS

1. Appareil de pulvérisation sous plasma par laser pour déposer un matériau source sur un substrat, caractérisé en oe qu'il comprend: un laser (102); un syste optique (104) propre à focaliser le faisceau du laser vers un volume d'interaction, le point focal du laser étant audessus de la surface du substrat (114) de sorte que le faisceau diverge quaind il frappe le substrat; des moyens pour fournir un matériau source et un débit

de gaz vers le volume d'interaction dans lequel, pendant le fcnc-

tiocerment, un plasma est formé et o au moins une partie du matériau source est fondu; et des moyens pour confiner le plasma et le matériau souroe fondu et pour diriger le plasma et le matériau souroe

fcrdu vers le substrat.

2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il coaprend en outre un gaz mélangé au matériau souroe et choisi dans le groupe orenant l'argon, l'azote, l'hélium,

l'hydro e, l'oxygène, le dioxyde de carbone et leurs mélanges.

3. Appareil selon la revendiication 1, caractérisé en ce qu'il cxmprend en outre un matériau souroe choisi dans le groupe c lmprenant un alliage de titane, un alliage de nickel, un alliage

de cobalt et un alliage de fer.

4. Appareil selon la revendxication 1, caractérisé en oe qu'il cx.pren en outre un matériau souroe choisi dans le groupe o renant un métal, un matériau rnon métallique et un mélange de

métal et de matériau rn nmétallique.

5. Appareil de pulvérisation sous plasna par laser caractérisé en oe qu'il camprend: une buse (108) comportant: une enveloppe externe tronconique (120), une enveloppe interne tronconique (124) de plus

petit diamètre que l'enveloppe externe et s'adaptant dans oelle-

ci, les axes de troncs de cne des enveloppes externe et interne étant en cdincidence, l'enveloppe externe et l'enveloppe interne définissant un passage annulaire (126) entre elles, et un prolongement cylindrique creux (128) de l'enveloppe externe ayant son axe en odincidence avec les axes

des troncs de cne des enveloppes externe et interne, le prolon-

gement cylindrique formant une chambre de confirnmnt de plasma

(128);

un laser (102); un systâe optique (104) propre à diriger le faisceau du laser le long de l'axe des troncs de aone des enveloppes externe et interne vers un point focal situé à l'intérieur du prolongaement cylindrique; un système de fourniture de gaz (148) comuniquant avec

l'intérieur de l'enveloppe interne créant un débhit de gaz forma-

teur de plasma à partir de l'enveloppe interne vers le prolonge-

ment cylindrique; et un systèm d'alimentation (136) communiquant avec

l'enveloppe interne et l'enveloppe externe et adapté à y intro-

duire un débit de matériau source finement divisé avec un gaz

porteur.

6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en oe que le gaz porteur est choisi dans le groupe comprenant l'argon, l'azote, l'hélium, l'hydrogène, l'oxygène, le dioxyde de carbone

et leurs mnlanges.

7. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en oe

que le gaz formateur de plasma est choisi dans le groupe cmanpre-

nant l'argon, l'azote, l'hélium, l'hydrogène, l'oxygène, le dio-

xyde de carbone et leurs mélanges.

8. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en oe que le matériau souroe est choisi dans le groupe comprenant un alliage de titane, un alliage de nickel, un alliage de cobalt et

un alliage de fer.

9. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que le matériau souroe est choisi dans le groupe comprenant de l'oxyde d'aluminium, de l'oxyde de chrome, de l'oxyde de zirco-

nium et leurs mélanges.

10. Appareil selron la revendication 5, caractérisé en ce que la buse ompre un resserrement (134) entre l'enveloppe externe et le prolongement cylindrique, ce ressergent ayant un

diamètre inférieur à 1'ouverture de l'enveloppe externe trcooD-

nique et également inférieur au diamètre interne du prolongement cylindrique.

11. Appareil de pulvérisation sous plasma par laser caractérisé en oe qu'il comprend: un laser (102) propre à focaliser son faisoeau vers un volume d'interaction; une chambre de confinement de plasma (128) dans

laquelle le volume d'interaction est situé, comprenant -

une paroi de confinement latéral (132), une chambre d'alimentation en poudre entre le laser et la paroi de confinement, et une gorge (134) de dimensions réduites entre la paroi de confinement et la chambre d'alimentation en poudre, à travers laquelle passent le faisoeauu laser pour atteindre le point focal du laser un système (136) d'alimentation en poudre pour fournir un matériau source en poudre vers la chambre d'alimentation en poudre dans un flux de gaz porteur; et un systèrme (148) d'alimentation en gaz qui déplace la poudre à partir de la chambre d'alimentation en poudre vers la

chambre de confinement dans un flux de gaz formateur de plasma.

12. Appareil selon la revendication 11, caractérisé en

oe que le volume d'interaction est à l'intérieur de la gorge.

13. Appareil selon la revendxication 11, caractérisé en ce que le gaz porteur est choisi dans le groupe comprenant l'argon, l'azote, l'hélium, l'hydrogène, l'oxygène, le dioxyde de

carbone et leurs mélanges.

14. Appareil selon la revendicaticn 11, caractérisé en ce que le gaz formateur de plasma est choisi dans le groupe comprenant l'argon, l'azote, l'hélium, l'hydrogène, l'oxygène, le

dioxyde de carbone et leurs mélanges.

15. Appareil selon la revendication 11, caractérisé en oe qu'il comprend en outre un matériau d'alimentation choisi dans le groupe comprenant un alliage de titane, un alliage de nickel,

un alliage de cobalt et un al liage de fer.

16. Appareil selon la revendication 11, caractérisé en Oe que le matériau source est choisi dans le groupe comprenant un métal, un matériau non métallique et un mélange de métal et de

matériau rnon métallique.

17. Procédé de dépôt d'une ocuche de matériau source sur un substrat, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: prévoir un laser ayant un point focal au-dessus de la surfaoe du substrat, le point focal étant suffisanment éloigné de la surface du substrat pour que celui-ci ne soit pas fondu; former un plasma dans la région du point focal du laser; ajouter un matériau source finement divisé au plasma pour fondre au moins une partie du matériau souroe; et

diriger le matériau source fondu vers le substrat.

18. Prtcdé selon la revendication 17, caractérisé en oe que l'étape d'additicn est réalisée en fournissant le matériau

source finement divisé à la périphrie du plasma.

19. Proedé selon la revendicaticn 17, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape supplémentaire consistant à prévoir une chambre de confinement autour du point focal du laser, la chambre de confinement ayant une paroi laterale à extrémités ouvertes qui permet au faisceau laser d'entrer à une extrémité et de sortir à l'autre.

20. Procdé selon la revernication 17, carctérisé en ce que l'étape consistant à diriger le matériau source fondu est

réalisée en dirigeant un flux de gaz formateur de plansma à tra-

vers la région du point focal du laser et vers le substrat dans une direction parallèle à la direction du faisceau laser, pour

amener le matériau source fondu à s'écouler vers le substrat.