EP0511076B1 - Dispositif de formation de dépôt par projection d'un matériau d'apport sur un substrat - Google Patents

Dispositif de formation de dépôt par projection d'un matériau d'apport sur un substrat Download PDF

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EP0511076B1
EP0511076B1 EP92401113A EP92401113A EP0511076B1 EP 0511076 B1 EP0511076 B1 EP 0511076B1 EP 92401113 A EP92401113 A EP 92401113A EP 92401113 A EP92401113 A EP 92401113A EP 0511076 B1 EP0511076 B1 EP 0511076B1
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carrier gas
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Serge Suzon
Richard Soula
Michel Arnout
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Lincoln Electric Company France SA
Original Assignee
La Soudure Autogene Francaise
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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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 the thermal spraying of a filler material onto a substrate to form a deposit, and more particularly to a deposit formation device by spraying a filler material onto a substrate, comprising a nozzle.
  • projection having a main axis and comprising a central passage for supplying filler material opening through a central orifice at one end of the nozzle and a plurality of oxy-fuel mixing conduits opening at the end of the nozzle through angular openings distributed around the central orifice, and an annular passage of carrier gas surrounding the end of the nozzle.
  • Thermal flame projection brings together a whole set of processes with a view to modifying the surface properties of a substrate by the constitution, on this surface, of a deposit of a filler material, generally metallic.
  • the filler material Under the action of the combustion of the oxycombustible mixture, the filler material is brought gradually to its melting temperature and the carrier gas sprays the molten material into fine particles animated by a strong kinetic energy.
  • the particles in the liquid or pasty state strike the substrate initially prepared for this operation.
  • the carrier gas currently used is compressed air and the yields (ratio between the weight of filler material actually deposited on the substrate and the weight of filler material actually consumed) typically obtained are of the order of 55 to 57 % for the projection of zinc which is the most commonly used metal for making anti-corrosion deposits, in particular on metal pipes.
  • the object of the present invention is to provide a device of the above-mentioned type, which is improved, with reduced manufacturing costs and easy and flexible implementation, allowing a significant improvement in the projection efficiency and capable of being implemented. with reduced operating costs.
  • the openings of the mixing conduits are distributed in at least two series offset radially from one another relative to the main axis.
  • the carrier gas comprises between 1 and 10% of oxygen, typically between 2 and 8%, the remainder being nitrogen, and is typically supplied by an adsorption air separation unit or permeation.
  • the carrier gas can thus be produced at low cost and, although a small amount of oxygen remains present, the increase in yield can reach, for the projection of zinc, 13%.
  • Such a carrier gas with a high proportion of inert gas in fact makes it possible to reduce the reactivity of the medium on the path of the particles by virtue of the reduction in the volume of filler material which enters into combustion and a reduction in the quantity of oxidized particles exhibiting a state unsuitable for good attachment to the substrate.
  • the reduction in the volume of heat by the reduction in the volume of oxidized particles makes it possible to reduce the distance between the projection nozzle without altering the quality of the deposit, and therefore to better concentrate the shot.
  • the nozzle comprises a central part defining the central passage and received in a tubular peripheral part, the etnat mixing conduits formed at the interface between the central and peripheral parts and opening out through openings distributed in at minus a first and a second series, the distance between the main axis and the openings of the first series being greater than the distance between the openings of the second series and the main axis.
  • the mixing conduits are advantageously formed by longitudinal grooves milled in the periphery of the central part, which makes it possible to easily modulate the depth, shape and number of these mixing conduits, and reduce manufacturing costs.
  • Such a spraying device also proves to be more efficient and flexible to use than the devices known with conventional gases, namely air as the carrier gas and acetylene or propane as the combustible gas.
  • a projection nozzle consisting of a coaxial assembly of a tubular central portion 1 mounted in a tubular peripheral portion 2, this assembly being mounted coaxially in one end of a cylindrical support 3 itself mounted in a body 4 of the spray gun.
  • the peripheral part 2 comprises a central frusto-conical recess 5 connecting, at the rear, by a radial shoulder 6, to an annular chamber 7 of enlarged diameter.
  • the central part 1 has a central through passage 8 and comprises, at its periphery, two series of longitudinal grooves 9 a , 9 b , of different depths, angularly distributed and alternated.
  • the external profile of the ribbed portion of the central part 1 corresponds substantially to the internal profile 5 of the peripheral part 2.
  • the ribs between the grooves 9 a , 9 b comprise a rear part of enlarged diameter 10 received in the annular chamber 7, abutting against the radial shoulder 6 but not extending over the entire axial extension of the annular chamber 7.
  • the central part 1 has a rear end 11 of reduced diameter while the peripheral part 2 has a rear end 12 of enlarged diameter, these rear ends being received in a stepped front housing 13 of the support 3 itself traversed by a central passage 14 through which the material filler, in the form of a homogeneous or compacted wire 15, coupled to drive means (not shown), advances in the central passage 8 of the central part 1 to exit, at the front end of the nozzle, by a central orifice 15 around which the conduits 9A, 9B open (FIG. 2).
  • the passage 8 advantageously comprises, in the vicinity of the central orifice 16, a tubular liner 17 made of more wear-resistant material, for example stainless steel.
  • the tubular support 3 comprises a plurality of longitudinal stepped passages 18 opening, downstream, into the downstream end of enlarged diameter of the stepped housing 13 and, upstream, in an annular chamber 19 communicating, via passages in the body 4, with a source of combustible gas 20, typically a propylene and methylacetylene compound sold under the name "TETRENE” or an ethylene and acetylene compound sold under the name "CRYLENE".
  • the middle portion of intermediate diameter of each passage 18 communicates, by a radial passage 21, with an annular chamber 22 communicating itself, via internal passages in the body 4, with a source of oxygen 23.
  • the oxycombustible mixture is formed in the passages 18 and is distributed homogeneously in the annular chambers 13 and 7 to supply, also in a homogeneous manner, the conduits 9 a , 9 b .
  • the central nozzle part 1 and peripheral nozzle part 2 assembly is mounted and held against an internal shoulder of the housing 13 by a nut 24 screwed onto the front end of the support 3.
  • a nut 24 screwed onto the front end of the support 3.
  • an end sleeve 25 surrounding the peripheral part 2 and defining an internal housing ending, at the front, by a converging conical part 26 surrounding the front end of the peripheral part 2, providing a passage around the latter annular 27.
  • the sleeve 25 is held and locked in position in the nut 24 by a peripheral cover 28 screwed onto the front end of the body 4, thereby forming an annular chamber 29 around the nut 24 and the rear part of the sleeve 25.
  • the front end of the body 4 comprises an annular chamber 30 communicating, via an internal passage 31, with a source of carrier gas 32.
  • the sleeve 24 comprises radial passages 33 establishing the communication between the chamber 29 in the cover 28 and the annular space between the sleeve 25 and the peripheral part of the nozzle 2.
  • the carrier gas coming from the source 32 is distributed uniformly in the annular chamber 30, then passes into the annular chamber 29 by cooling the nut 24 and the rear part of the sleeve 25, then from there, through the passages 33, in the annular chamber between the sleeve 25 and the part peripheral 2 towards the outlet passage 26, by cooling the peripheral nozzle part 2.
  • the nozzle design according to the invention allows obtaining a stepped heater, alternately mixing conduits 9 a, 9 b to differently distribute the combustion darts 34a , 34b around the material to be melted 15.
  • the conduits 9b at a closer distance from the axis of the nozzle give a strong heating 34b of the material to be melted a short distance from the front face of the nozzle and cause a rapid rise in temperature of the material 15.
  • the other conduits 9a provide heating 34a further from the end of the nozzle and contribute to a gradual rise in temperature of the material to be melted 15.
  • the design of the nozzle in two parts allows the execution of conduits of very different shapes, for example, as shown from left to right in Figure 2, grooves with rectangular, triangular or trapezoidal section.
  • the ease of machining also makes it possible to increase the number of conduits and their angular distribution, and thus to improve the distribution of the heating on the material to be melted. It is thus also possible, as shown on the right in FIG. 2, to produce the conduits by a combination of drilled holes 9b and more or less deep grooves 9a, 9a ′.
  • the carrier gas source 32 may be a reservoir of nitrogen or argon or a mixture of the two.
  • this source of carrier gas 32 is constituted by a unit for separating gas from the adsorption or permeation air supplied with atmospheric air by a compressor 35, the permeate, consisting of oxygen-enriched air, being evacuated in 36.
  • the zinc spraying efficiency is improved by about 9% compared to the use of propane and compressed air.

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Description

  • La présente invention concerne la projection thermique à la flamme d'un matériau d'apport sur un substrat pour y constituer un dépôt et plus particulièrement un dispositif de formation de dépôt par projection d'un matériau d'apport sur un substrat, comprenant une buse de projection ayant un axe principal et comportant un passage central d'amenée du matériau d'apport débouchant par un orifice central à une extrémité de la buse et une pluralité de conduits de mélange oxycombustible débouchant à l'extrémité de la buse par des ouvertures angulairement réparties autour de l'orifice central, et un passage annulaire de gaz vecteur entourant l'extrémité de la buse.
  • Un dispositif de ce type est décrit dans le document EP-A-0.379.119.
  • La projection thermique à la flamme regroupe tout un ensemble de procédés en vue de la modification de propriétés de surface d'un substrat par la constitution, sur cette surface, d'un dépôt d'un matériau d'apport, généralement métallique. Sous l'action de la combustion du mélange oxycombustible, le matériau d'apport est amené progressivement à sa température de fusion et le gaz vecteur pulvérise le matériau fondu en fines particules animées d'une forte énergie cinétique. Les particules à l'état liquide ou pâteux viennent frapper le substrat initialement préparé pour cette opération. Le gaz vecteur actuellement employé est l'air comprimé et les rendements (rapport entre le poids de matériau d'apport réellement déposé sur le substrat et le poids de matériau d'apport effectivement consommé) typiquement obtenus sont de l'ordre de 55 à 57 % pour la projection de zinc qui est le métal le plus couramment utilisé pour la réalisation de dépôts anti-corrosion, notamment sur des tubulures métalliques.
  • La présente invention a pour objet de proposer un dispositif du type sus-mentionné, qui soit perfectionné, de coûts de fabrication réduits et de mise en oeuvre aisée et souple, permettant une amélioration notable du rendement de projection et susceptible d'être mis en oeuvre avec des coûts de fonctionnement réduits.
  • Pour ce faire, selon une caractéristique de l'invention, les ouvertures des conduits de mélange sont réparties suivant au moins deux séries décalées radialement l'une de l'autre par rapport à l'axe principal.
  • Selon un aspect de l'invention, le gaz vecteur comprend entre 1 et 10 % d'oxygène, typiquement entre 2 et 8 %, le reste étant l'azote, et est typiquement fourni par une unité de séparation de l'air à adsorption ou perméation. Le gaz vecteur peut être ainsi produit à faibles coûts et, bien qu'une faible quantité d'oxygène demeure présente, l'augmentation du rendement peut atteindre, pour la projection de zinc, 13 %. Un tel gaz vecteur à forte proportion de gaz inerte permet en effet de diminuer la réactivité du milieu sur le chemin des particules grâce à la réduction du volume de matériau d'apport entré en combustion et une diminution de la quantité de particules oxydées présentant un état impropre à un bon accrochage sur le substrat. De plus, la réduction du volume de chaleur par la diminution du volume de particules oxydées permet de réduire la distance entre la buse de projection sans altérer la qualité du dépôt, et donc de mieux concentrer le tir.
  • Selon un aspect de l'invention, la buse comprend une partie centrale définissant le passage central et reçue dans une partie périphérique tubulaire, les conduits de mélange étnat formés à l'interface entre les parties centrale et périphérique et débouchant par des ouvertures réparties en au moins une première et une deuxième séries, la distance entre l'axe principal et les ouvertures de la première série étant supérieure à la distance entre les ouvertures de la deuxième série et l'axe principal.
  • Les conduits de mélange sont avantageusement formés par des rainures longitudinales fraisées dans la périphérie de la partie centrale, ce qui permet de moduler aisément la profondeur, la forme et le nombre de ces conduits de mélange, et de réduire les coûts de fabrication. Un tel dispositif de projection se révèle également plus efficace et souple d'emploi que les dispositifs connus avec des gaz classiques, à savoir l'air comme gaz vecteur et l'acétylène ou le propane comme gaz combustible.
  • D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation, donnés à titre illustratif, faite en relation avec les dessins annexés, sur lesquels :
    • la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un dispositif de projection selon l'invention ;
    • la figure 2, représente, en vue en bout de la buse de projection, diverses variantes des conduits de mélange oxycombustible; et
    • la figure 3 est une vue schématique de l'extrémité de la buse montrant l'étagement des flammes de chauffe du matériau d'apport.
  • On reconnaît sur la figure 1 une buse de projection constituée d'un ensemble coaxial d'une partie centrale tubulaire 1 montée dans une partie périphérique tubulaire 2, cet ensemble étant monté coaxialement dans une extrémité d'un support cylindrique 3 lui-même monté dans un corps 4 de pistolet de projection. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, la partie périphérique 2 comporte un évidement central traversant tronconique 5 se raccordant, à l'arrière, par un épaulement radial 6, à une chambre annulaire 7 de diamètre élargi. La partie centrale 1 comporte un passage central traversant 8 et comporte, à sa périphérie, deux séries de rainures longitudinales 9a, 9b, de profondeurs différentes, angulairement réparties et alternées. Le profil extérieur de la portion nervurée de la partie centrale 1 correspond sensiblement au profil intérieur 5 de la partie périphérique 2. En particulier, les nervures entre les rainures 9a, 9b comportent une partie arrière de diamètre élargi 10 reçue dans la chambre annulaire 7, en butée contre l'épaulement radial 6 mais ne s'étendant pas sur la totalité de l'extension axiale de la chambre annulaire 7. La partie centrale 1 comporte une extrémité arrière 11 de diamètre réduit alors que la partie périphérique 2 comporte une extrémité arrière 12 de diamètre élargi, ces extrémités arrière étant reçues dans un logement avant étagé 13 du support 3 lui-même traversé par un passage central 14 par lequel le matériau d'apport, en forme de fil homogène ou compacté 15, couplé à des moyens d'entraînement (non représentés), s'avance dans le passage central 8 de la pièce centrale 1 pour sortir, à l'extrémité avant de la buse, par un orifice central 15 autour duquel débouchent les conduits 9A, 9B (figure 2). Le passage 8 comporte avantageusement, au voisinage de l'orifice central 16, un chemisage tubulaire 17 en matériau plus résistant à l'usure, par exemple en acier inoxydable.
  • Le support tubulaire 3 comporte une pluralité de passages étagés longitudinaux 18 débouchant, en aval, dans l'extrémité aval de diamètre élargi du logement étagé 13 et, en amont, dans une chambre annulaire 19 communiquant, via des passages dans le corps 4, avec une source de gaz combustible 20, typiquement un composé de propylène et de méthylacétylène commercialisé sous l'appellation "TETRENE" ou d'un composé d'éthylène et d'acétylène commercialisé sous l'appellation "CRYLENE". La portion médiane de diamètre intermédiaire de chaque passage 18 communique, par un passage radial 21, avec une chambre annulaire 22 communiquant elle-même, via des passages internes dans le corps 4, avec une source d'oxygène 23. Le mélange oxycombustible se forme dans les passages 18 et se répartit de façon homogène dans les chambres annulaires 13 et 7 pour alimenter, de façon également homogène, les conduits 9a, 9b.
  • L'ensemble partie centrale de buse 1 et partie périphérique de buse 2 est monté et maintenu contre un épaulement interne du logement 13 par un écrou 24 vissé sur l'extrémité antérieure du support 3. Dans la partie avant de l'écrou 24 est rapporté un manchon d'extrémité 25 entourant la partie périphérique 2 et définissant un logement interne se terminant, à l'avant, par une partie conique convergente 26 entourant l'extrémité avant de la partie périphérique 2 en ménageant, autour de cette dernière, un passage annulaire 27. Le manchon 25 est maintenu et bloqué en position dans l'écrou 24 par un capot périphérique 28 vissé sur l'extrémité avant du corps 4 en formant ainsi une chambre annulaire 29 autour de l'écrou 24 et de la partie arrière du manchon 25. L'extrémité avant du corps 4 comporte une chambre annulaire 30 communiquant, par un passage intérieur 31, avec une source de gaz vecteur 32. Le manchon 24 comporte des passages radiaux 33 établissant la communication entre la chambre 29 dans le capot 28 et l'espace annulaire entre le manchon 25 et la partie périphérique de buse 2. Le gaz vecteur en provenance de la source 32 se répartit uniformément dans la chambre annulaire 30, puis passe dans la chambre annulaire 29 en refroidissant l'écrou 24 et la partie arrière du manchon 25, puis de là, par les passages 33, dans la chambre annulaire entre le manchon 25 et la partie périphérique 2 vers le passage de sortie 26, en refroidissant la partie de buse périphérique 2.
  • Comme on le voit mieux sur la figure 3, la conception de la buse selon l'invention autorise l'obtention d'une chauffe étagée, l'alternance des conduits de mélange 9a, 9b permettant de répartir différemment les dards de combustion 34a, 34b autour du matériau à fondre 15. Les conduits 9b à plus faible distance de l'axe de la buse donnent une chauffe forte 34b du matériau à fondre à une courte distance de la face avant de la buse et provoquent une montée rapide en température du matériau 15. Les autres conduits 9a assurent une chauffe 34a plus éloignée de l'extrémité de la buse et concourent à une montée en température progressive du matériau à fondre 15.
  • La conception de la buse en deux parties autorise l'exécution de conduits de formes très diverses, par exemple, comme représenté de gauche à droite sur la figure 2, des rainures à section rectangulaire, triangulaire ou trapézoidale. La facilité d'usinage permet également d'accroître le nombre de conduits et leur répartition angulaire, et d'améliorer ainsi la répartition de la chauffe sur le matériau à fondre. Il est ainsi également possible, comme représenté à droite sur la figure 2, de réaliser les conduits par une combinaison de trous forés 9b et de rainures plus ou moins profondes 9a, 9a′.
  • Comme sus-mentionné, la source de gaz vecteur 32 peut être un réservoir d'azote ou d'argon ou d'un mélange des deux. Avantageusement, selon l'invention, cette source de gaz vecteur 32 est constituée par une unité de séparation de gaz de l'air à adsorption ou perméation alimentée en air atmosphérique par un compresseur 35, le perméat, constitué d'air enrichi en oxygène, étant évacué en 36.
  • A titre d'exemple, pour la formation de dépôt anti-corrosion par projection de zinc, avec un gaz vecteur constitué de 97 % d'azote et de 3 % d'oxygène et une projection de métal à débit massique d'environ 20 kg/heure, les paramètres sont les suivants :
    Figure imgb0001
  • Dans ces conditions, le rendement de projection de zinc est amélioré d'environ 9 % par rapport à l'utilisation de propane et d'air comprimé.

Claims (10)

  1. Dispositif de formation de dépôt par projection d'un matériau d'apport sur un substrat, comprenant une buse de projection (1, 2) ayant un axe principal et comportant un passage central (8) d'amenée du matériau d'apport (15) débouchant par un orifice central (16) à une extrémité de la buse et une pluralité de conduits de mélange oxycombustible (9a, 9b) débouchant à l'extrémité de la buse par des ouvertures angulairement réparties autour de l'orifice central (16), et un passage annulaire (27) de gaz vecteur entourant l'extrémité de la buse (1, 2), caractérisé en ce que les ouvertures des conduits de mélange (9a, 9b) sont réparties suivant au moins deux séries décalées radialement l'une de l'autre par rapport à l'axe principal.
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ouvertures des conduits de mélange d'une série (9a) sont décalées angulairement de celles (9b) de l'autre série.
  3. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la buse comprend une partie centrale (1) définissant le passage central (8) et reçue dans une partie périphérique tubulaire (2) de la buse, les conduits de mélange (9a, 9b) étant formés à l'interface entre les parties centrale (1) et périphérique (2) et débouchant par des ouvertures en au moins une première et une deuxième séries, la distance entre l'axe principal et les ouvertures de la première série étant supérieure à la distance entre l'axe principal et les ouvertures de la deuxième série.
  4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les conduits de mélange (9a ; 9b) d'au moins une desdites séries d'ouvertures sont formés par des rainures longitudinales fraisées dans la périphérie de la partie centrale (1).
  5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la partie périphérique (2) comprend un évidement tronconique (5) dont le profil intérieur correspond sensiblement au profil extérieur de la partie centrale (1).
  6. Dispositif selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que les rainures (9a, 9b) ont un profil transversal diminuant de l'extérieur vers l'intérieur.
  7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la buse (1, 2) est montée dans un logement étagé (13) d'un support cylindrique (3) et est maintenue par un sous-ensemble (24, 25) comportant un manchon d'extrémité (25) et formant le passage de gaz vecteur (27).
  8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le support cylindrique (3) et le sous-ensemble (24, 25) sont portés par un corps (4) comportant un circuit (31, 30) d'amenée de gaz vecteur relié à une source (32) de gaz vecteur.
  9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que la source de gaz vecteur (32) est une unité de séparation de gaz de l'air.
  10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'unité de séparation (32) est du type à adsorption ou perméation.
EP92401113A 1991-04-25 1992-04-21 Dispositif de formation de dépôt par projection d'un matériau d'apport sur un substrat Expired - Lifetime EP0511076B1 (fr)

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FR9105081A FR2675819B1 (fr) 1991-04-25 1991-04-25 Procede et dispositif de formation de depot par projection d'un materiau d'apport sur substrat.

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Publication Number Publication Date
EP0511076A1 EP0511076A1 (fr) 1992-10-28
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CA (1) CA2066902A1 (fr)
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