Métallisation électrochimique sans immersion

01/09/2017
Auteurs : André Gendry
Publication REE REE 2006-2
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2006-2:19751
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Métallisation électrochimique sans immersion

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Repères 1 LES APPLICATIONS INDUSTRIELLES DE L'ELECTROCH (2Èm'PARTIE) Métallisation électrochimique sans immersion André GENDRY Société Dalic Le procédé DALIC de métallisation électrochimique sélective sans immersion permet d'améliorer la durée de vie et les per-a durée de vie et es per- formances des appareils industriels, tout en réduisant les temps d'arrêt de production. Mots clés Electrochimie, Electrolyseautampon, Métallisation sélective, Dépôt à froid, Dépôtgalvanique, Rechargement mécanique. Protectioncontre la corrosion, Traitementsursite, Respect de environnement. Généralités En 1937, Charles Dalloz, ingénieur mécanicien, et Georges Icxi, ingénieur chimiste chargés de maintenance de turbines pour production d'électricité, mettent au point la technique du dépôt au tampon. Leur but est d'obtenir, , 1 esans immersion, sur site, à température ambiante et direc- tement à la cote des dépôts sélectifs de métaux et alliages à hautes performances. Dans ce but, ils adaptent les para- mètres du dépôt électrolytique par immersion. La tech- nique du dépôt au tampon Dalic est brevetée et fera l'ob- jet jusqu'à nos jours de nombreux perfectionnements. Des axes de turbines, des blocs-moteurs, des pièces mécaniques coûteuses sont ainsi remis dans leurs spécifi- cations d'origine. Le procédé Dalic se développe dans les secteurs de l'énergie, de la mécanique, de l'imprimerie, puis de l'aéronautique et du ferroviaire qui accèdent ainsi au "Dalicworld " (service@dalicworld.com). 2. Technologie Le procédé Dalic repose sur la métallisation électro- chimique sélective sans immersion dans lequel un dispo- sitif anodique imprégné d'électrolyte est placé sur la pièce à revêtir. Sous l'action du courant électrique, le métal se dépose sur la pièce. La figure 1 illustre le schéma de principe du procédé retenu. Le procédé repose essentiellement sur le dispositif anodique constitué d'un porte-tampon, d'une anode et d'une bonnette. 2.1. Porte-tampon Le porte-tampon, comme son nom l'indique, porte le tampon, c'est-à-dire l'anode, l'alimente en courant électrique fourni par le générateur de courant continu, et si néces- saire en eau de réfrigération pour évacuer l'énergie ther- mique due à l'effet Joule lors de l'électrolyse. ESSENTIEL Le procédé Dalic est basé sur la métallisation électrochimique sélective sans immersion dans lequel un dispositif anodique imprégné d'une solution électrolytique est placé sur la pièce à revêtir. Sous l'action du courant électrique continu, le métal se dépose sur la pièce à traiter. Lesavantagesde ce procédésont multiples: revêtementséiectifs, rapidité d'électrolyse, maîtrisedes épaisseursdéposées,mise en oeuvresur site, respect de l'environnement,dépôtsà froid. Le procédé Dalicest principalement utilisédansles industriesdes secteurs de l'aérospatiale, de la mécanique,de la marine et de l'offshore, du ferroviaireet de l'énergiepourprotégercontre lacor- rosion atmosphérique et galvanique,pour le rechargementméca- nique à la cote, pour améliorer lesétats de surfaceet pour réparer des dommages subis par l'appareillagemis hors service. SYNOPSIS Datictechnology is based on a selective electrochemical metal- lizing process, which is achieved without immersion of the part. An anodic toolimpregnatedwith the metallizing solution is placed on the areato plate. Underthe action of current, the metal is pla- ted on the part.The Dalicprocesshasnumerousadvantages: very selective plating,fast plating, platingthickness is controlled, in-situ application,environmentfriendlyprocess,cold platingprocess. TheDalicprocessis employedin the aerospace,mechanical,navy and offshore, railway and energy sectors to protect against atmosphericandgalvaniccorrosion,to rebuilt the partsto its initial specs, to improve surface properties and repair damage to the basematerial. REE No 2 Fevrier2006 Repères 1 1 LES APPLICATIONS INDUSTRIELLES DE L'ELECTROCHIMIE (2EmE PARTIE) ,_' " ,, r''-''- Pont t amqcn ïï.t- . t.-È. -dJJ'.1 - 1 " 1 .1 /141" T',..,. , -*'t.t. ! t*-t).t-.. -.tt..--.,. /n'oQtc.'--'''- -. -'- -/- -. - ' " < ! .1' ", B " r1Oet te.... -... 1 -''..-'<..î.., _ i - Mmouvementdedéplacement relatifdel'anodeparrapportàla cathode. Figii-e 1. Schénia de principe dit procédé Dalic. 2.2. Anode L'anode est revêtue d'une masse poreuse et spongieuse formée par la bonnette. Elle assure deux fonctions princi- pales : l'électrolyse au travers de la bonnette, l'évacuation de l'énergie thermique pour maintenir l'électrolyte au-des- sous de sa température d'ébullition. Elle doit être adaptée à la forme et à la dimension de la pièce à revêtir par un usinage aisé. Le choix du graphite s'est rapidement imposé, surtout que l'anode doit être insoluble, inattaquable pen- dant l'électrolyse et conductrice de l'électricité. Lorsque l'anode est utilisée intensivement (cas de machines auto- matiques), le graphite devient assez vite pulvérulent en surface et dans ce cas est remplacé par de l'acier inoxy- dable ou du platine. 2.3. Bonnette C'est une pièce de tissu qui enveloppe l'anode et au travers de laquelle s'effectue l'électrolyse. Le tissu est à la fois poreux et spongieux pour laisser traverser l'électrolyte et en conserver une certaine réserve dans sa masse (conti- nuité de l'électrolyse). Il doit être isolant (éviter tout court-circuit entre la pièce à traiter et l'anode, et assurer l'électrolyse). Enfin le tissu est réalisé à l'aide d'un matériau chimiquement inerte vis-à-vis des solutions électrolytiques, suffisamment souple et déformable pour suivre les contours de la pièce et maintenir un champ électrique uniforme, donc un dépôt régulier. Dans la plupart des utilisations, la bonnette est constituée d'un tissu mi-coton, mi-nylon, en polypropylène et en polyester (cas des électrolytes agressifs) ou en tissu de verre. Dans certains cas, il est possible d'interposer un feutre de carbone très spongieux et d'épaisseur variable entre l'anode et la bonnette ; ce feutre de carbone procure l'avantage de suivre de plus près la géométrie de la pièce à revêtir et d'assurer ainsi un revêtement plus régulier et de protéger la pièce contre les courts-circuits accidentels. 2.4. Solutions électrolytiques Les paramètres électrolytiques des solutions, et en particulier le rendement doivent être constant dans de larges plages de température et de densité de courant. De plus l'utilisation d'anodes insolubles implique que les électro- lytes travaillent en épuisement (d'où une concentration métallique élevée de ces solutions) ; cet épuisement est en moyenne de 50 % pour les solutions métalliques simples, 70 % pour les solutions de métaux précieux, 25 % pour les alliages binaires et 15 % pour les alliages ternaires. Enfin, ces électrolytes doivent être chimiquement stables, se conserver parfaitement dans le temps et il importe qu'ils ne perturbent pas les règles d'hygiène et de sécurité dans l'atelier de fabrication (interdiction d'emploi de certains sels toxiques, par exemple l'acide chromique). Pour chaque métal déposé, plusieurs solutions électroly- tiques de concentrations métalliques différentes sont disponibles pour obtenir un revêtement aux caractéristiques physico-chimiques, mécaniques, structurales définies. Le choix de l'électrolyte est déterminé d'une part par la nature du substrat à traiter ou de la sous-couche, et par le rôle fonctionnel du revêtement désiré. Les hyperdensités de courant (100 à 400 A/dm'), les vastes plages de tem- pérature utilisables, les concentrations métalliques élevées, l'emploi d'anodes insolubles et les caractéristiques recher- chées pour les revêtements imposent à ces électrolytes des formulations chimiques tout à fait originales : les revête- ments ne sont plus obtenus à partir d'ions métalliques simples comme dans le cas des bains traditionnels, mais à partir d'ions métalliques fortement complexés. Le tableau 1 résume les types de solutions les plus utilsées pour l'électrolyse au tampon. 2.5. Le dispositif Dalistick Dernier né de la recherche et du développement de la société Dalic, le Dalistick est un outil sélectif compact, portable et utilisable sur site en toutes positions et dans des zones inaccessibles pour réaliser un traitement en couche mince (voir photo 1) 3. Domaines d'application Les revêtements électrolytiques au tampon sont utilisés dans tous les domaines où le traitement conventionnel en bain s'applique déjà : en lieu et en place si l'aspect économique est un facteur clé de l'opération ou en complément pour des retouches localisées. Ils s'appliquent de plus lorsque l'électrolyse traditionnelle ne peut être utilisée : . pour des raisons pratiques : pièce à traiter intrans- 76 REE No 2 Fevi ici 2006 Métallisation électrochimique sans immersion Types de solutions U C 9 U -E.D Industrie Domaine d'application utilisatrice 'ro -S roU - Y U (O (6 (O Qcci.,i,iQQQô Corrosionsuracters «) t N Corrosionsuraluminium Aérospatial Fretting Rechargement à la cote. Continuitéélectrique Préparationavantcollage. suraluminium Corrosionsuraciersou aliages légers a Fretting Mécanique Rechargementà lacote.. Réparationde rayures,blessures Glissementou White metal. Continuitéélectrique Corrosionsuraciersou aljiages légers Marine Fretting Offshore Réparation de rayures, blessuresRéparationde rayures,b!essures N N Glissementou White metal Continuitéélectrique Corrosionsuraciers Corrosionsuraluminium Ferroviaire Fretting Antifrictionou coussinets Rechargementà la cote Continuitéélectrique Corrosionsuraciers Fretting Energie Rechargementà lacote Réparationde rayures,blessures Glissementou White metal · Continuitéélectrique Décontaminationdes partieschaudes Tableaii 1. Solutions électrolytiques lesplus utiliséespour leprocédé Dalic, REE No 2 Fevrier2006 . Repères 1 LES APPLICATIONS INDUSTRIELLES DE L 1ELECTROCHIMIE (2ÈmE PARTIE) # i aa ".,.. 3 Photo 1. A17oclisatioi7 de l'aliiiiiiiiiiiiii avec le Dalistick. portable, iudémontable ou difficilement démontable (coût exorbitant) ; l'électrolyse au tampon s'applique in situ ; . pourdesraisonstechniques: le problèmeposénécessite une solution indéposableen bain (utilisation d'alliage binaire, ternaire, voire quaternaire) ; . pour des raisons de quantités de pièces à traiter ou de cadencede production: lesmachines-outilsrobotisées d'électrolyseau tampon peuvent répondre au problème posé par un gain en génie - civil, des volumes de solu- tions électrolytiquesfaibles et un coût de traitement par pièce moindre. 3.1. Gammes de revêtement 3. 1. 1. Préparation de surface Elle s'effectue toujours en deux phases : . une première phase de nettoyage que constitue le dégraissageélectrolytique précédé par un dégraissage chimique au solvant. Le dégraissage électrolytique élimine les dernières traces de corps gras et rend la surfaceparfaitement mouillante. L'opération s'effectue au moyen de différentes solutions de décapage qui sont fonctions du métal de base. Elles s'utilisent en polarités normales (cathodiques) avec des densités de courant comprises entre 50 et 200 A/dm' ; . une seconde phase d'adaptation de la surface aux exigences du revêtement qu'elle va recevoir : c'est l'attaque élecrolytique ou du microsablage en phase humide pour éliminer les oxydes et les précipités divers de la surface mise à nue et créer des points d'ancrage pour le dépôt proprement dit. L'opération se déroule en deux temps : l'attaque réelle avec des électrolytes agressifs fonctionnant en polarité inverse (anodique) à des densités de courant comprises entre 100 et 300 A/dm', voire plus, et ensuite la phase de nettoyage et d'élimination des impuretés décrochées lors de l'attaque électrolytique ; cette dernière peut se faire mécaniquement (à l'aide d'abrasif) ou électrolytiquement par des attaques acides en polarités anodiques ou cathodiques à des densités de courant de l'ordre de 100 à 200 A/dm'. Dans certains cas on utilisera des solutions de dépas- sivation constituées d'électrolytes acides travaillant en polarités cathodiques à faible densité de courant. 3. 1.2 Revêtements métalliques Une fois la préparation de surface terminée et avant le revêtement métallique choisi (métal simple ou alliage), on interpose dans la plupart des cas une sous-couche de nickel de faible épaisseur de 5 micromètres en moyenne par électrolyse à une densité de courant progressant de 25 à 100-125 A/dm'. Le tableau 1 rappelle les principaux revêtements métalliques employés avec leurs applications et les types d'industries utilisatrices. 3.1.3. Gammes types Le tableau 2 résume succinctement les principales procédures de revêtement utilisées sur divers supports métalliques. Ce tableau est loin d'être exhaustif, car il existe de nombreuses procédures de dégraissage ou d'at- taques électrolytiques, chacune adaptée à la nature du support. De plus, pour un même support donné, la gamme exacte du dépôt dépendra de la fonction recherchée du revêtement : prévention ou traitement contre la corrosion, l'usure et l'abrasion, augmentation de la dureté, répara- tions des impacts, rayures, fuites ou chocs, remède à un usinage non conforme, amélioration d'un état de surface ou de la continuité électrique, du glissement, du frotte- ment pour éviter un grippage. 4. Exemples d'application L'électrolyse au tampon intervenant dans quasiment dans de très nombreux secteurs industriels (voir tableau 1), il est difficile de dresser une liste complète des applica- tions. Nous en citerons que quelques unes concernant essentiellement le domaine de l'énergie. En effet dans ce domaine de nombreux operateurs et industriels on fait appel à la métallisation électrochimique sélective Dalic que ce soit en maintenance, réparation ou en production de composants neufs. Parmi eux, nous pouvons citer ABB, Areva, Alstom, CERN, Cameron, Coyard, CNRS, Eurodif, INSTN, MAN, Siemens, SEMT Pielstick. Socatri et Wartsila. REE No 2 Fevi ier 2006 Métallisation électrochimique sans immersion Nature Aciers Aluminiumet Alliages Aciers Aciers Titane Oxydation dusupport ordinaires alliages légers cuivreux inoxydables Spéciaux Alliages anodique des etfontes ordinaires Alliages de nickel Aciers à de Ti, Zr, Ta, alliages légers Étapestypes etspéciaux Ni-Cu hauterésistance Nb,Mo,W,Cr etdetitane derevêtement Dégraissageélectrolytique........... Attaque (s) électrolytiquels)..... Microsablage humide Dépassivatton Sous-couched'accrochage N NtNN NN NN N Oxydationanodique Tableau 2. Gammesde traitement types, 4.1. Rechargement d'un arbre d'alternateur Lors du démontage du pivot palier d'un alternateur à la Centrale de Saint Guillerme, la plage d'alimentation- excitation sur l'arbre a été endommagé et le métal pro- fondément arraché. EDF a fait appel au procédé Dalic pour reboucher des rayures et protéger les surfaces. Malgré la profondeur des rayures > 1 mm, EDF ne pouvait pas envisager un rechargement par soudure pour des raisons de fragilisation du substrat. Le rebouchage des rayures de l'arbre alternateur a été effectué à l'argent ; sur la seule plage de frottement des collecteurs, il a été déposé un alliage de nickel pour répondre à une exigence de dureté. L'alésage du palier a été revêtu par un dépôt de 12 flm d'alliage étain-indium, lequel facilitera l'opération d'extrac- tion lors du prochain démontage (photo 2). 4.2. Protection contre le fretting corrosion L'aménagement hydroélectrique de La Coche (Savoie) est un aménagement mixte pompage- gravitaire qui comprend : . pour la partie gravitaire un réseau de conduites et galeries qui captent toutes les eaux des massifs pour les acheminer vers l'usine souterraine, via la retenue ; . pour la partie pompage deux bassins, l'un en aval, l'autre en amont de l'usine permettant en toutes saisons une alimentation régulière de l'usine. L'usine souterraine de La Coche est équipée de quatre pompes-turbines à cinq étages, de puissance unitaire 80 000 kW, montées verticalement. La société Dalic intervient sur les arbres de ces pompes- turbines au niveau des portées de disque qui doivent être protégées contre le fretting corrosion. La dimension de ces arbres (près de 9 m de longueur et de 600 mm de dia- mètre) et leur masse (plus de 16 tonnes) nécessite une application sur site faite sélectivement sur les 5 zones des portées de disque de la pompe-turbine. En pratique, il n'est pas possible de traiter l'arbre dans sa position verticale ; .. £,,n. ir II , - '4 n r>2a -, '6' Y w =,.u. p, 'ufi `w'fi'. "yj ., - °p . ''_ù. N y`.rt_. = cg','_j.._. t.. ",, ï?' i' " - Photo 2. Vue sur l'intervention sur la plage d'alimentation- excitation d'un arbre d'alternateur. il est donc positionné horizontalement sur un vireur qui assure sa rotation à la vitesse requise. Une cabine de sablage mobile en vinyl souple permet le microsablage dans les meilleures conditions d'efficacité. Faite à l'origine sur les arbres neufs, cette opération est maintenant régulièrement renouvelée lors des opérations de maintenance. Après un retrait des zones oxydées par microsablage humide, un rebouchage éventuel à l'argent de quelques zones plus profondément corrodées, l'alliage étain - indium spécialement mis au point pour ce type de fretting corrosion est appliqué au tampon, comme repré- senté sur la photo 3. 4.3. Rechargement de portées de calage sur un arbre de turbine Le besoin exprimé par le constructeur de turbines concerne le rechargement sur site des portées de calage sur l'arbre de la turbine avec une finition anti-fretting, et sans réusinage final. Les dimensions à recharger sont : A 440 x 440 et A 610 x 350 mm et la longueur d'arbre de 3 150 mm (voir photo 4). Les traitements réalisés consistent en un rechargement par dépôt nickel (Nickel alcalin 3X de Dalic) d'une épais- REE No 2 Fevrier 2006 . Repères 1 LES APPLICATIONS INDUSTRIELLES DE L 1ELECTROCHIMIE (2ÈmE PARTIE) Stpy;°t , srt,,y 4F 3t' , ri. ",. w h F ep A s 3FS* a,' "C. y ` rg.c' " T-;in Photo 3. Applicatioiz azi taiiipon de l'alliage étain-iiiditiiii. , 1 1,, 1 1 11 1 1% > 1 1 \'4 - 1-. 1,11 1 - 1, 11 1 1 1 1 . u 1 * Photo 5. Réparation du tourillon szrpériezrr e vanne papillon seur de 65 à 100 mm, et une finition par un dépôt d'alliage étain - indium d'une épaisseur de 20 um. L'opération se déroule sur trois jours, permettant ainsi de réduire le temps d'immobilisation de la turbine. 4.4. Réparation du tourillon supérieur d'une vanne papillon La centrale hydro électrique du barrage de Génissiat est équipée de 6 alternateurs entraînés par des turbines Francis de 66 000 kW. Chaque groupe est alimenté par une conduite forcée de 5,75 m de diamètre, débitant 125 m "/s sous 64,5 m de hauteur de chute. Le débit de cette conduite est régulé par une vanne de tête type papillon. Au cours de la révision d'un groupe, il a été constaté que le tourillon supérieur de cette vanne (diamètre 790 mm ; hauteur 450 mm) était fortement corrodé sur une profondeur moyenne de 0,2 mm avec quelques piqûres beaucoup plus profondes. Les dimensions de l'ensemble (diamètre papillon 5,2 m et poids 72 tonnes) ont conduit l'exploitant à retenir très vite une réparation sur site par le procédé Dalic. L'intervention s'est donc faite sans mise en rotation de la vanne (photo 5). Après un décapage mécanique à la roue à lamelles de l'oxydation superficielle, il a été procédé à un microsa- blage humide pour blanchir le substrat jusqu'au fond des piqûres. Un dépôt d'argent d'épaisseur 0,2 mm a été appliqué sur toute la portée par zones verticales juxtapo- k'MH.3,I .. F. m:. _, "5...-..rm.. " · rok .-vnl Y Y,.. i I Photo 4. Vite des poi-fées siii- lai-bre de iiii-bine. . _ p _._t. *rvf ", i.. _ " r,'. k 3 f,.p "tik''rv, f. ",i -.-..-.. ' t 9 t..'3 ! ·.1, t ' 1 · ..._SG Photo 6a. Revëteinent de Dalinickle sitr eiiibotits d'ai-bre de colonne de guidage de couvercle de chaudière nucléaire. Photo d. Outillage de liaiteiiient de poi-lée dejoints de bi-ide. REE Nn 2 Fevrier2006 Métallisation électrochimique sans immersion sées. L'ensemble de la portée a ensuite été poncé jusqu'à retrouver la surface de l'acier et un état de surface correct, un pourcentage important des fissures ayant été rebouché par l'argent. Le revêtement final est constitué par 20 flm de nickel. 4.5. Revêtement de composants en centrale nucléaire Un revêtement spécial de nickel (Dalinickle) d'une épaisseur de 1000 im a été effectué sur des embouts d'arbre de colonne de guidage de couvercle de chaudière nucléaire (photo 6a). Ce même revêtement est également utilisé pour traiter des portées de joints de brides de tuyauteries jusqu'à des diamètres de 4 m ; le revêtement est réalisé par un outillage tournant motorisé fonctionnant secteur par secteur (photo 6b). 5. Conclusion Le procédé Dalic est basé sur la métallisation électro- chimique sélective sans immersion dans lequel un dispositif anodique imprégné d'une solution électrolytique est placé sur la pièce à revêtir. Sous l'action du courant électrique continu, le métal se dépose sur la pièce à traiter. Les avantages de ce procédé sont multiples : les revê- tements sont sélectifs (traitement uniquement sur les zones fonctionnelles et épargnes limitées), l'électrolyse est rapide d'où des délais d'immobilisation des matériels réduits, les épaisseurs déposées sont maîtrisées (réusinage ultérieur facultatif), la mise en oeuvre du procédé est réalisée sur site (pièces réparées sans démontage préalable), l'environnement est respecté car les volumes d'électrolytes utilisés et les effluents générés sont restreints, et le dépôt est effectué à froid ne faisant subir aucun dommage au matériau de base. Le procédé Dalic est principalement utilisé dans les industries des secteurs de l'aérospatiale, de la mécanique, de la marine et de l'offshore, du ferroviaire et de l'énergie pour protéger contre la corrosion atmosphérique et galva- nique, pour le rechargement mécanique à la cote, pour améliorer les états de surface (frottement, glissement, dureté, tenue à l'abrasion, à l'érosion, au grippage, contacts électriques), et pour réparer des blessures, rayures et impacts sur le métal de l'appareil à traiter. L'auteur i André Gendrya effectuédesétudestechniques,complétées par des études de gestion. Acheteurtechnique dans une sociétéde BTPpendant5 ans,il a rejointla sociétéDalicpour occuperplusieurspostesde responsabilitépendant10ans : Directeurdesachats,ResponsabledelaQualitépendant5ans et depuis2001directeurCommercial. REE No 2 Fevrier2006