République Algérienne Démocratique et Populaire. Ministère de L Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique

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1 Républiqu Algérinn Démocratiqu t Populair Ministèr d L Ensignmnt Supériur t d la Rchrch Scintifiqu UNIVERSITE M HAMED BOUGARA BOUMERDES FACULTE DES HYDROCARBURES ET DE LA CHIMIE Départmnt d Transport t Equipmnts ds Hydrocarburs Mémoir d Magistr Spécialité : Géni mécaniqu Option : Tribologi t Maintnanc Industrill THEME CONTRIBUTION A LA CARACTERISATION MECANIQUE ET THERMIQUE DES REVETEMENTS D'ALUMINE ET DE CARBURE DE TUNGSTENE OBTENUS PAR PROJECTION PLASMA Présnté par : Youcf SMAÏLI Dvant l jury composé d : ADJERID. S Maîtr d Conférncs (UMBB) Présidnt HANCHI. S Maîtr d Conférncs (EMP) Examinatur AOUACHRIA. S Doctur (SONATRACH) Invité GUEBLA. A Chargé d cours (UMBB) Examinatur BALISTROU. M Maîtr d Conférncs (UMBB) Rapportur Soutnu l : Boumrdès 2006

2 REMERCIEMENTS J'adrss l'xprssion d ma viv gratitud à Monsiur ADJERID S., Maîtr d conférncs à l'univrsité d Boumrds, pour avoir voulu présidr c jury. J rmrci vivmnt ls mmbrs du jury, Mssiurs, S. AOUACHRIA, A. GUEBLA t S. HANCHI pour l'honnur qu'ils m font d jugr c travail. J rmrci Monsiur BALISTROU Mourad, pour avoir su m'initir à la rchrch, par ss préciux consils, son xpérinc t sa disponibilité. Tous ms rmrcimnts vont égalmnt à tous cux t clls qui m'ont apporté un aid à l'élaboration d c mémoir.

3 Résumé Résumé L'obtntion d'un rvêtmnt à caractéristiqus contrôlés dmand ncor aujourd'hui un travail d mis au point important qui nécssit plusiurs hurs d projction t d caractérisation ds dépôts. En fft, la projction plasma st un tchniqu mal connu avc un grand nombr d paramètrs non indépndants par rapport aux transfrts d chalur t d quantité d mouvmnt ntr l plasma t ls particuls. Ds méthods d msur t ds modélisations sur la caractérisation ds dépôts s sont dévloppés afin d'un part d miux connaîtr l'influnc ds paramètrs d projction t d'autr part d'alimntr t d validr ls modèls avc ds valurs xpérimntals. L problèm à résoudr st d trouvr l rvêtmnt l miux adaptr pour un pièc n acir inoxydabl, ntrtois d'accouplmnt d'un pomp d transfrt d'au immrgé, afin d augmntr sa duré d vi. Dux étuds ont été dévloppés. D'un part, la caractérisation d l adhérnc ds rvêtmnts t lurs durtés après dépôt, t d autr part, la simulation ds gradints d tmpératur dans l substrat sachant qu la projction thrmiqu génèr ds contraints thrmiqus. Ls résultats obtnus sur ls différnts dépôts tstés à savoir l carbur d tungstèn t l alumin sur la chmis n acir inoxydabl Z3CND17-12 sont ncouragants. L modèl thrmiqu mis n plac nous a prmis d prévoir l champ d tmpératur. Ls résultats obtnus ont été validés par ds msurs xpérimntals. Cs résultats constitunt un contribution à l'étud ds dépôts obtnus par projction plasma. Mots clés : plasma, rvêtmnt, adhérnc, particul, usur, contraint, transfrt thrmiqu, pulvérisation thrmiqu Abstract Projction plasma is considrd as on of th most univrsal tchniqus of coatings. In ordr to obtain a coating with controlld charactristics, rqust till today an important dvlopmnt work which rquirs svral hours of projction and charactrization of th dposits. Indd, projction plasma is a badly known tchniqu with a grat numbr of paramtrs non indpndnt compard to th hat transfr and momntum btwn plasma and th particls. Mthods of masurmnt and modlling on th dposits charactrization wr dvlopd in ordr to know th influnc of th paramtrs of projction and also to fd and validat th modls with xprimntal valus. Th problm to b solvd is to find th adquat coating to adapt for a stainlss stl pic, spacr of coupling of a transfr watr pump immrsd, in ordr to incras its lifspan. For that, th assssmnt of th mans usd so far in th fild of thrmal projction, was stablishd. Two studis wr dvlopd. On th on hand, th charactrization of th coating adhrnc and thir hardnsss aftr dposit, and in th othr sid, th simulation of th tmpratur gradints in th substrat knowing that thrmal projction gnrats thrmal strsss. Th rsults obtaind on th various dposits tstd with tungstn carbid and alumin on th stainlss stl shirt Z3CND17-12 ar ncouraging. Th thrmal modl st up nabld us to nvisag th fild of tmpratur. Th rsults obtaind wr validatd by xprimntal masurmnts. Ths rsults constitut a contribution to th study of th dposits obtaind by projction plasma. Word Kys : plasma, coating, adhrnc, particl, war, strss, thrmal transfr, thrmal spraying

4 Z3CND 17-12

5 SOMMAIRE INTRODUCTION 1 CHAPITRE I - ETAT ACTUEL DES TECHNIQUES 3 I.1 PROJECTION THERMIQUE 3 I.1.1 PRINCIPE DE LA PROJECTION THERMIQUE 3 I.1.2 PROJECTION A LA FLAMME ORDINAIRE OU A HAUTE VITESSE 4 I.1.3 PROJECTION A L'ARC ELECTRIQUE 6 I.1.4 PROJECTION AU CANON A DETONATION 6 I.2 PROJECTION PAR PLASMA 7 I.2.1 PROJECTION PAR PLASMA D'ARC 8 I PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT 8 CHAPITRE II - ETAT GENERAL DES CONNAISSANCES SUR LES PROJECTIONS PLASMA 10 II.1 PROJECTION PLASMA 10 II.1.1 GENERALITES SUR LA TORCHE PLASMA 10 II.1.2 CHAMP DE TEMPERATURE DU JET PLASMA 11 II.1.3 CHAMP DE VITESSE DU JET PLASMA 12 II.2 INTERACTION PARTICULE/PLASMA 14 II.2.1 VITESSE DES PARTICULES 14 II.2.2 FUSION ET TEMPERATURE DES PARTICULES 14 II.3 FORMATION DU DEPOT 15 II.3.1 ECRASEMENT DES PARTICULES 16 II.3.2 SOLIDIFICATION ET REFROIDISSEMENT DES PARTICULES 16 II.4 PARAMETRES CONTROLANT LA PROJECTION PLASMA 19 II.5 PREPARATION DES SURFACES AVANT DEPOT 21 II.6 GENESE DES CONTRAINTES RESIDUELLES DURANT LA PROJECTION PLASMA 22 II.6.1 CONTRAINTES INTRINSEQUES 23 II.6.2 CONTRAINTES THERMIQUES 23 II.6.3 CONTRAINTES RESIDUELLES 24 II.7 CARACTERISATION DE L ETAT MICROSTRUCTURAL DES DEPOTS PLASMA 25 II.7.1 POROSITE 25 II.7.2 FISSURES 26 II.8 CARACTERISATION DE L ETAT MECANIQUE 26 II.8.1 L ADHERENCE DES REVETEMENTS PLASMA ET QUALIFICATION DE TESTS MECANIQUES D ADHERENCE 26 II.8.2 TESTS D ADHERENCE 27 II LES TESTS D ADHERENCE EXISTANTS 27 II.9 DOMAINE D UTILISATION 29 II.9.1 PROTECTION CONTRE LA CORROSION 30 II CORROSION SECHE 30 II.9.2 CORROSION HUMIDE 30 II.9.3 PROTECTION CONTRE L USURE 30 II.9.4 USURE PAR FROTTEMENT 31 II.9.5 USURE PAR ABRASION 31

6 II.9.6 USURE PAR CORROSION 31 II.9.7 USURE PAR FRETTING 31 II.9.8 USURE PAR ADHESION 31 II.9.9 APPLICATIONS AERONAUTIQUES 31 II.9.10 APPLICATIONS D ISOLATION PAR LES BARRIERES THERMIQUES 32 II LA FONCTION BARRIERE THERMIQUE 32 II REVETEMENTS UTILISES COMME BARRIERES THERMIQUES 32 CHAPITRE III - ETUDE EXPERIMENTALE 33 III.1 METHODES D EXPERIMENTATION 33 III.2 INSTALLATION DE PROJECTION PLASMA 33 III.3 PARAMETRES DE PREPARATION DU SUBSTRAT 35 III.4 PARAMETRES DE PROJECTION 35 III.5 TEST DE DURETE 36 III.5.1 ECHANTILLONS UTILISES 36 III.5.2 RESULTATS DE LA MICRO DURETE 36 III.5.3 INTERPRETATIONS 39 III.6 TEST D ADHERENCE 39 III.6.1 ECHANTILLONS UTILISES 39 III.6.2 PROCEDURES EXPERIMENTALES 40 III.6.3 RESULTATS ET INTERPRETATIONS DU TEST D ARRACHEMENT 41 III.7 CONCLUSION 44 CHAPITRE IV MODELISATION THERMIQUE DU SUBSTRAT 45 INTRODUCTION 45 IV.1 ELEMENTS FINIS EN TRANSFERT DE CHALEUR 45 IV.1.1 FORMULATION INTEGRALE ET RESIDUS PONDERES 45 IV.1.2 FONCTIONS D'APPROXIMATION ET POLYNOMES D'INTERPOLATION 46 IV.1.3 REPRESENTATION MATRICIELLE ET ASSEMBLAGE EN UN SYSTEME GLOBAL 47 IV.1.4 METHODE DE RESOLUTION 48 IV CAS STATIONNAIRE 48 IV CAS NON STATIONNAIRE 48 IV.1.5 RESOLUTION NUMERIQUE DE L'EQUATION DE LA CHALEUR PAR ELEMENTS FINIS 48 IV ETUDE DU CAS STATIONNAIRE 49 IV.2 FORMULATION PAR ELEMENTS FINIS 51 IV.2.1 LA FORME MATRICIELLE GENERALISEE 53 IV.3 RESOLUTION DU PROBLEME POSE 54 IV.4 ETAPES DE LA MODELISATION 56 IV.4.1 DESCRIPTION DU MODELE GEOMETRIQUE 56 IV.4.2 CONDITIONS AUX LIMITES 57 IV.4.3 DEFINITION DES PARAMETRES DE CONVECTION 58 IV.4.4 CHOIX DE L'ELEMENTS DE MAILLAGE 59 IV.5 CHOIX DE L'INCREMENT DE TEMPS 59 IV.6 LA DEMARCHE DE LA MODELISATION 60 IV.7 RESULTATS ET INTERPRETATIONS 61 CONCLUSION GENERALE 62 BIBLIOGRAPHIE 63

7 Notations NOTATIONS UTILISEES d 2 : Diamètr d la particul après écrasmnt d 1 : Diamètr d la particul avant ncrassmnt E d : Modul d Young du dépôt F : Vctur global ds sollicitations g : Accélération d psantur h C : Cofficint d convction Hv : Durté Vikrs h i : Cofficint d transfrt thrmiqu intr-facial K : Matric d rigidité k : Conductivité thrmiqu <N> : Vctur constitué d fonctions d'intrpolation q C : Flux d chalur dû à la radiation q S : Flux d chalur d un sourc nvironnant Q : Quantité d chalur s : Epaissur d la particul T S : Tmpératur moynn du substrat n cours d projction T : Tmpératur du corps T a : Tmpératur ambiant T f : Tmpératur d fusion T r : Tmpératur du miliu rcvant la radiation U : Ensmbl d fonctions V d : Vitss d impact Y : Solution : Opératur différntil N u : Nombr d Nusslt R a : Nombr d Rayligh G r : Nombr d Grashof : Nombr d Biot B i NOTATIONS GRECQUES d d S r tr th u T : Dnsité d la particul fondu : Conductivité thrmiqu du dépôt : Cofficint d dilatation du dépôt : Cofficint d dilatation du substrat : Constant d BOLTZMAN : Contraint résidull : Contraint d trmp : Contraint thrmiqu : Fonction d xcitation : Fonction d pondération : Variabl qulconqu d la fonction u : Emissivité du corps : Frontièr du domain : Viscosité cinématiqu : Variation d tmpératur : Coordonnés du point corrspondant à l'élémnt d référnc

8 Introduction INTRODUCTION La tchniqu d projction à la flamm a pris son ssor après la scond gurr mondial. Ls applications étaint alors ds rvêtmnts pour la protction contr la corrosion t l rchargmnt d piècs usagés. Ell a été suivi vrs ls annés 60 d la projction au plasma d'arc, dévloppé par un industri d point, l'aéronautiqu, t plus précisémnt ls motorists. L princip consist à introduir d fins particuls solids dans l plasma (gaz partillmnt ionisé) qui y sont fondus t accélérés n dirction d la pièc à rvêtir. L dépôt s form par mpilmnt d particuls étalés qui constitunt ainsi un structur lamllair. L jt d plasma dont la tmpératur st supériur à K prmt d fondr tout typ d matériaux métalliqus ou céramiqus. La condition nécssair cpndant pour formr un dépôt st d pouvoir fondr l matériau avant d l'évaporr. Crtains auturs considèrnt un matériau projtabl si sa tmpératur d fusion st au moins infériur d 300K à sa tmpératur d'évaporation ou d décomposition. La projction par torch à plasma st actullmnt n plin ssor t st utilisé dans ls industris ls plus divrss, qu c soit l'aéronautiqu, l nucléair, la mécaniqu ou l domain médical. Cs applications concrnnt ls protctions anti-usur, anti-corrosion, ls rvêtmnts à propriétés élctriqus ou magnétiqus contrôlés t ls barrièrs thrmiqus. L dévloppmnt d ctt tchniqu n s'st cpndant fait qu d façon mpiriqu t l'obtntion d'un rvêtmnt à caractéristiqus contrôlés (propriétés mécaniqus, dnsité, caractéristiqus cristallins...) dmand ncor aujourd'hui un travail d mis au point important qui nécssit plusiurs hurs d projction t d caractérisation ds dépôts. En fft, la projction plasma st un tchniqu mal connu avc un grand nombr d paramètrs non indépndants par rapport aux transfrts d chalur t d quantité d mouvmnt ntr l plasma t ls particuls (puissanc d l'arc, natur t débit du gaz plasmagèn, injction d poudr...). Crtains auturs dénombrnt pas moins d 50 paramètrs. Il xist maintnant au nivau univrsitair t industril un volonté d miux maîtrisr la tchniqu. Ainsi, apparaissnt ds programms d rchrch sur la caractérisation t sur la modélisation du plasma t ds particuls. Parallèlmnt à la modélisation, s sont dévloppés ds méthods d msurs afin d'un part d miux connaîtr l'influnc ds paramètrs d projction t d'autr part d'alimntr t d validr ls modèls avc ds valurs xpérimntals. C st dans c contxt qu la SONELGAZ soucius d améliorr ls prformancs d la chmiss (ntrtois d accouplmnt) d un pomp d transfrt d au d mr immrgé à 2 étags, initialmnt importé (coût d rvint très élvé) t suit à l utilisation ds divrs tchniqus d traitmnt d surfac comm l traitmnt élctrolytiqu (chromag) t l traitmnt chimiqu (nitruration) avc lsquls ll n a pas u ds résultats satisfaisant, décid d s pnchr sur l utilisation d la tchniqu d projction thrmiqu. L problèm à résoudr st d trouvr l rvêtmnt l miux adapté pour ctt pièc n acir inoxydabl afin d augmntr sa duré d vi. C'st dans ctt optiqu qu nous avons orinté notr étud n faisant l bilan ds moyns utilisés jusqu'à c jour dans l domain d la projction thrmiqu. 1

9 Introduction Nous nous somms intérssés au problèm d la caractérisation d l adhérnc ds rvêtmnts t lurs durtés après dépôt. La méthod qu nous avons rtnu st cll du tst d arrachmnt (tst d traction) suivant la norm NF D autr part, nous nous somms pnchés sur la simulation ds gradints d tmpératur dans l substrat sachant qu la projction thrmiqu génèr ds contraints résidulls dans ls principals sont d origin thrmiqu. Touts cs rchrchs t lurs résultats obtnus sur ls différnts dépôts tstés à savoir l carbur d tungstèn t l alumin sur la chmis n acir inoxydabl (Z3CND17-12) sont décrits dans c mémoir composé d quatr chapitrs. Dans L prmir chapitr, nous présntons l'état actul ds tchniqus d projction thrmiqu, t particulièrmnt la tchniqu d projction par plasma. Dans l duxièm chapitr, l état général ds connaissancs sur la projction plasma sont présntés, ainsi qu la caractérisation d l état structural t mécaniqu ds dépôts. Un sélction d qulqus tchniqus d msurs d adhérnc st proposé vu qu l adhérnc du dépôt sur l substrat st la caractéristiqu ssntill à contrôlr. Nous avons signalé aussi dans c chapitr ls ffts thrmiqus qui ngndrnt ls contraints résidulls. L troisièm chapitr présnt ls résultats xpérimntaux ds tsts d durté t d adhérnc ainsi qu la modélisation ds gradints d tmpératurs dans l substrat. Ls rvêtmnts ont étaint élaborés dans ds conditions rproductibls sur un installation automatisé t robotisé (METCO-SULZER) au sin d la société M.E.I M sila filial d SONELGAZ. L quatrièm chapitr trait l évolution d la tmpératur lors du dépôt dans l substrat. Nous avons trminé notr travail par un conclusion général qui rgroup ls différnts résultats obtnus, c qui nous a prmis d proposr qulqus prspctivs d c travail. 2

10 COATED PART Chapitr I : Etat actul ds tchniqus CHAPITRE I - ETAT ACTUEL DES TECHNIQUES I.1 LA PROJECTION THERMIQUE I.1.1 Princip d la projction thrmiqu La projction thrmiqu définit l'nsmbl ds tchniqus d projction d'un matériau sous form d fil ou d poudr par l'mploi d'un sourc d chalur (figur I-1). La tchniqu consist à projtr n fins particuls sur un surfac préalablmnt préparé, un matériau d'apport solid. C drnir chauffé, fondu ou ramolli, accéléré puis projté n dirction du substrat (pièc à rvêtir) par l intrmédiair d un pistolt ou d un chalumau approprié à grand vitss où il form un dépôt d gouttltts étalés (figur I-2). Notons qu ls particuls provnant d la pulvérisation sont véhiculés à d grands vitsss à savoir [13] : 100 à 200 m/s : pour ls pistolts à gaz 300 à 800 m/s : pour ls pistolts à plasma d arc GAS OR AIR MATERIAL THERMAL -SPRAY ENERGY EQUIPEMENT COMPONENT COATING PROCESS CONTROL ENGINEERED SYSTEMES CONTROL GUN AND PART MOVEMENT Fig I-1 Princip général d la projction thrmiqu 3

11 Chapitr I : Etat actul ds tchniqus Fig I-2 : Phass thrmiqus du procssus d projction Ls tchniqus compriss dans ctt appllation sont : 1. La projction à la flamm ordinair ou à haut vitss (HVOF : High Vlocity Oxyflam). La sourc d chalur st un flamm d combustion. 2. La projction à l'arc élctriqu. La sourc d chalur st un arc élctriqu. 3. La projction au canon à détonation. La sourc d chalur résult d la combustion d'un mélang d gaz n régim détonant. 4. La projction au plasma d'arc. La sourc d chalur st un jt d plasma créé par un arc. Après un survol ds tchniqus 1 à 3, nous décrirons n détail la tchniqus 4 basé sur l plasma. I.1.2 La projction à la flamm ordinair ou à haut vitss Son origin rmont à l'obsrvation n 1909 par l Dr SCHOOP d l'incrustation d plomb consécutiv au tir d'un ball contr un mur n cimnt. En 1914, ls prmirs pistolts à flamm projtant d la poudr ou du fil d plomb apparaissnt. La tchniqu st alors applé l SCHOOPAGE [22]. Son princip rpos sur l'introduction d un matériau sous form d poudr ou d fil dans la flamm d'un chalumau où il st fondu t accéléré pour vnir s déposr sur la pièc à rvêtir. Ls gaz ls plus courammnt utilisés sont ls mélangs acétylèn-oxygèn t hydrogèn-oxygèn [11], qui donnnt rspctivmnt ds flamms d'un tmpératur d'nviron 2700 C t 3000 C [34]. Cs tmpératurs limitnt l'mploi d ctt tchniqu à ds matériaux dont l point d fusion st infériur à la tmpératur d la flamm. 4

12 Chapitr I : Etat actul ds tchniqus Etant donnés ls propriétés d la flamm ordinair (faibl vitss, bass tmpératur), ls dépôts réalisés par ctt tchniqu présntnt n général ds taux d porosité élvés (15-20%). Ctt tchniqu st cpndant utilisé dans baucoup d'industris t prmt d résoudr ds problèms d'abrasion, d corrosion, d'usur, d'isolation thrmiqu ou élctriqu à moindr coût. Ds xmpls typiqus sont : - l rchargmnt d poinçons dans ls vrrris, la réparation d piècs pour ls voiturs d chmin d fr. La tchniqu d la flamm à haut vitss st récnt puisqu'll a été invnté il y a 15 ans par BROWNING qui a dévloppé l procédé JET KOTE [31] (Figur I-3). Dpuis, d'autrs sociétés ont dévloppé lur propr procédé (Diamond Jt : METCO) ; l plus récnt étant clui dévloppé par PLASMA TECHNIK : l CDS (control déposition spray). Cux-ci sont basés sur l princip d combustion d'un gaz d'hydrocarbur avc d l'oxygèn pour formr un jt à haut vitss. Après la combustion, ls gaz chauds produits sont conduits l long d'un nz d projction. L rapport élvé ntr l produit du débit d gaz chaud (six fois supériur à clui d la flamm classiqu), d la puissanc d combustion (soit approximativmnt 60 kw) t l diamètr du nz d projction, prmt au gaz d'attindr la vitss du son (Mach 1) just à la sorti du nz [29]. A ct ndroit, la prssion du gaz st supériur à la prssion atmosphériqu t clui-ci sort dans un succssion d détnts t comprssions (onds d Mach) donnant à la flamm un dssin caractéristiqu. L gaz combustibl put êtr du propylèn, du propan ou d l'hydrogèn. La poudr d projction st injcté axialmnt à l'ndroit mêm d la combustion (Figur I-4). C procédé prmt d'obtnir ds dépôts à fort dnsité, à durté élvé t avc un bonn adhésion. Ls principaux matériaux déposés sont : WC-Co, WC-Ni, (WTi)C-Ni, TiC-Ni, CoCrMoSi Fig I-3 : Schéma du pistolt à flamm haut vitss JET KOTE. 5

13 Chapitr I : Etat actul ds tchniqus Fig I-4: Schéma du pistolt à flamm haut vitss CDS I.1.3 La projction à l'arc élctriqu Son princip consist à ntrtnir un arc élctriqu ntr dux élctrods constituant l métal d'apport. Un jt d gaz introduit au nivau d l'arc projtt ls partis d métal fondu sur la pièc. Ls fils sont ntraînés automatiqumnt par ds moltts qui assurnt ainsi la continuité t la stabilité d l'arc (Figur I-5). Ls pistolts à arc prmttnt d déposr d grands quantités d matièr (ntr 8 t 30 kg/h) [20]. I.1.4 Fig I-5 : Schéma d'un pistolt d projction à arc élctriqu Ls applications sont principalmnt : - métalliqus, d coqus d bataux à bas d rvêtmnt anti-corrosion d structurs Zinc t Aluminium ; - fabrication d mouls pour la réalisation d piècs n plastiqu ; - rchargmnt d piècs mécaniqus. La projction au canon à détonation C'st un tchniqu qui a été dévloppé n 1955 par UNION CARBIDE. Son princip rpos sur l'utilisation contrôlé d la détonation d mélangs d'oxygèn t d'acétylèn dans un chambr spécial (Figur I-6). 6

14 Chapitr I : Etat actul ds tchniqus Après avoir introduit l mélang gazux dans la chambr, un étincll st produit sur la bougi d'allumag t provoqu un combustion localisé ds gaz, puis un détonation qui comprim l gaz t élèv sa tmpératur. L'ond d choc qui n résult produit un accélération rapid du gaz n sorti du tub. La poudr st injcté à l'arrièr du tub dans la zon d combustion. Ell st ntraîné à haut vitss (nviron 800m/s) t chauffé par l gaz. Ctt opération st répété nviron 8 fois par scond. Entr chaqu allumag, un balayag st pratiqué avc un gaz nutr (azot) pour chassr ls résidus d combustion [14,3]. Ctt tchniqu s'st surtout dévloppé dpuis ls annés 70 pour l'obtntion d dépôts dnss. Figur I-6 : Schéma d'un canon à détonation Ls principals applications s situnt dans : l domain nucléair : mécanisms dans ls systèms d contrôl d cntrals nucléairs (WC, ), composants d pomps (CrO 2 ), piècs d réacturs rapids, rvêtmnt d piècs d vanns ; l domain aéronautiqu : aubs mobils d turbins, nagoirs d'aubs. D nombruss applications industrills divrss comm ds rvêtmnts d lams d coutaux, d garniturs métalliqus, d piècs d'usur d pétrochimi. I.2 LA PROJECTION PAR PLASMA L plasma fut idntifié pour la prmièr fois par l physicin américain LANGMUIR Prix Nobl n Il st parfois baptisé l quatrièm état d la matièr, dans l échll d tmpératur. Il fait suit aux trois états convntionnls : solid, liquid t gaz. On stim qu 99 % d la matièr d l univrs st sous form d plasma, pourtant c quatrièm état d la matièr n xist pas naturllmnt sur trr [9]. C st un miliu obtnu à ds tmpératurs supériurs à 3000 C à la prssion atmosphériqu. Il s compos d un grand nombr d spècs chimiqus : ions, élctrons t d spècs xcités (atoms-moléculs). C st un miliu très réactif. Il prmt l obtntion d produits uniqumnt stabls à haut tmpératur. Ls moléculs sont dissociés t xcités. Ells donnnt liu à ds mélangs d spècs physico-chimiqus artificills, instabls t complxs : ls PLASMAS. 7

15 Chapitr I : Etat actul ds tchniqus I.2.1 Pour générr un plasma, ls trois élémnts fondamntaux sont nécssairs : un sourc d puissanc (génératur à courant continu) ; un décharg ionisant l gaz (génératur haut fréqunc) ; un couplag assurant l contact ntr dux élctrods via l gaz plasma. La projction par plasma d'arc La tchnologi d la projction par plasma st un prfctionnmnt d la métallisation à la flamm décrit précédmmnt. L critèr d dévloppmnt d ctt tchnologi a été d'augmntr la puissanc d la sourc d'énrgi t aussi d'obtnir ds tmpératurs plus élvés (qui étaint limités à 2700 C pour la flamm oxyacétyléniqu). La solution a été la création d'un jt d plasma (gaz ionisé) par l passag d'un gaz au travrs d'un arc élctriqu ntrtnu par un sourc d courant continu. L jt, d'un tmpératur supériur à K, prmt ainsi d fondr tous typs d matériau. En Franc, c dévloppmnt a commncé dans ls annés 50 par la SNECMA pour la réalisation d rvêtmnts sur ls tuyèrs d fusés. Ctt société a mis au point un torch d projction rfroidi par au garantissant un duré d fonctionnmnt normal d 200 hurs sans changmnt d'élctrods [31]. La SNECMA avait déposé un brvt qui fut nsuit xploité par la société Suiss PLASMA TECHNIK [brvt français N du 4 Juillt 1963 [31,34]. La tchniqu s dévlopp aussi aux USA vrs ls annés 60 par la société METCO qui fournit à l'industri aéronautiqu ds installations prmttant d rvêtir d façon manull ls chambrs d combustion d moturs d'avion. C'st alors l plus gros marché ds rvêtmnts plasma. Vrs ls annés 70 apparaissnt ls mouvmnts automatiqus d la torch t ls robots d projction assurant ainsi un parfait rproductibilité ds dépôts [33]. I Princip d fonctionnmnt L jt d plasma dans un torch, st créé par l passag d'un gaz ou mélang d gaz au travrs d'un arc élctriqu. Ls moléculs du gaz sont dissociés t ls atoms ionisés par l'énrgi thrmiqu d l'arc formant alors l plasma. Clui-ci s'écoul dans la tuyèr d la torch t form l jt visibl n sorti d torch (Figur I-7). L'arc éclat ntr dux élctrods : un cathod cylindriqu n tungstèn thorié. L'ajout d thorin (ThO 2 ) (3%) abaiss légèrmnt l potntil d'xtraction ds élctrons. Cs élctrons sont émis par un ptit tach cathodiqu n fusion d qulqus dixièms d mm 2 ; un anod n cuivr, applé aussi tuyèr ou bus dans laqull s'écoul l jt d plasma. Ls gaz, dit "plasmagèns", sont injctés ntr la cathod t l'anod soit axialmnt, soit n vortx (avc un composant d vitss radial) afin d stabilisr la zon d'accrochag d l'arc. Sous l'action du jt cathodiqu émanant d la point d la cathod, un parti du gaz plasmagèn froid va êtr pompé dans l jt qui va s dévloppr, puis s détndr n sorti d tuyèr. Ls gaz froids qui n participnt pas à la formation du plasma passnt n péripéti d la colonn d'arc assurant ainsi sa stabilité par la formation d'un couch limit froid l long d la paroi d l'anod [31]. L jt cathodiqu orinté dans la dirction d l'ax d la torch n put donc pas vnir chauffr dirctmnt l'anod. L'accrochag sur la paroi d cuivr rfroidi par au n put s fair qu'avc un fort constriction d la colonn t c d'autant plus qu l gaz périphériqu 8

16 Chapitr I : Etat actul ds tchniqus qu'll travrs st froid. Ls fluctuations forcés (vortx) t naturlls du pid d'arc assurnt la répartition du flux thrmiqu sur un zon assz grand d la tuyèr t réduit son érosion. Au-dlà d la zon d'accrochag d l'arc sur l'anod, l'énrgi mmagasiné dans l gaz plasma diminu gradullmnt. L procssus dominant dans ctt région st l'intns nutralisation ds spècs ionisés t la rcombinaison ds atoms. Lors d l'écoulmnt du jt d plasma n sorti d torch, il y a aussi un pompag du gaz ambiant qui contribu à rfroidir l plasma. Ctt dilution put êtr plus ou moins important suivant l typ d gaz t suivant l typ d'écoulmnt (laminair ou turbulnt). Ls caractéristiqus du jt d plasma sont ls tmpératurs élvés (14000 à 15000K n sorti d tuyèr) t un vitss important (600 à 800 m/s n sorti d tuyèr), c qui prmt d fondr ls matériaux ls plus réfractairs. La poudr d projction st injcté dans l jt d plasma soit à la sorti d la tuyèr, soit dans la tuyèr mêm, prpndiculairmnt à la dirction d'écoulmnt [25]. Fig I-7 : Schéma d'un torch à plasma 9

17 Chapitr II : Etat général ds connaissancs sur ls projctions plasma CHAPITRE II - ETAT GENERAL DES CONNAISSANCES SUR LES PROJECTIONS PLASMA II.1 LA PROJECTION PLASMA La projction plasma st un tchniqu à arc élctriqu. Ell consist à introduir ds particuls solids dans un jt d plasma produit par un arc, afin d ls fondr t d ls accélérr avant qu lls n vinnnt s écrasr sur un substrat où lls formnt un dépôt d structur lamllair [4]. L un ds caractéristiqus principals d la projction plasma st qu la sourc d énrgi put êtr maintnu à ds tmpératurs contrôlés, c qui prmt d réalisr ds projctions sur ds substrats à bas points d fusion (par xmpl ds substrats n polymèr) [4]. Par rapport à la projction par flamm, ctt tchniqu s caractéris par ds tmpératurs d gaz nttmnt plus élvés (pouvant allr jusqu à K, t prmttant d fondr mêm ls matériaux réfractairs) t par ds vitsss d particuls importants. Tous ls matériaux dont l point d fusion st séparé d au moins 300 K du point d décomposition ou d évaporation put êtr projté [16]. La figur II-1 montr l allur général d la structur. L dépôt st formé par couchs succssivs d lamlls écrasés. porosité Inclusion d oxyd Particul non fondu substrat Fig.II-1 : Formation d un dépôt sur un substrat, par projction plasma. II.1.1 Généralités sur la torch plasma Un schéma rprésntant un pistolt à arc plasma st présnté n figur II-2. Dans ls différnts torchs d projction, l princip st toujours l mêm ; l arc éclat ntr un cathod n tungstèn thorié (thrmoémissiv) d typ tig t un tuyèr anod n cuivr élctrolytiqu fortmnt rfroidi. Un gaz plasmagèn constitué par un mélang d un gaz primair (argon ou azot) t d un gaz scondair (hydrogèn ou hélium) st introduit dans la chambr à arc. 10

18 Chapitr II : Etat général ds connaissancs sur ls projctions plasma L hydrogèn ou l hélium sont ajoutés au gaz plasma afin d augmntr l transfrt thrmiqu plasma/particuls [31,39]. Ls mélangs utilisés sont généralmnt ds mélangs argon-hydrogèn, argon-hélium ou ncor azot-hydrogèn. Fig.II-2 : schéma d un pistolt à arc plasma. Ls jts d plasma obtnus ont un diamètr n sorti d tuyèr, compris ntr 5 t 10 mm. Ls tmpératurs maximals sur l ax puvnt attindr K à K avc ds gradints radiaux d l ordr d 4000K/mm. Cla st illustré sur la figur II-6 pour un plasma d projction N2-H2 d 30 kw s écoulant à l air libr [36]. La poudr st injcté n aval du pistolt (fig. II.2), soit prpndiculairmnt à l ax d projction soit avc un inclinaison, ll st alors ntraîné par ls gaz t projté sur l substrat. Ls particuls n vol intrfèrnt chimiqumnt t physiqumnt avc ls gaz plasma t l gaz ambiant pompé par l jt plasma qui sort d la bus, c qui conduit à dir qu l dépôt obtnu n a pas nécssairmnt la mêm composition qu ls particuls d départ. II.1.2 Champ d tmpératur du jt plasma Pour connaîtr t définir l échang thrmiqu avc ls particuls véhiculés t l substrat, il st important d connaîtr l champ thrmiqu dans la flamm plasma. C champ thrmiqu étant très affcté par la structur du jt, il st nécssair d évalur ls propriétés thrmiqus tl qu la capacité spécifiqu t la conductivité thrmiqu du plasma, qui sont fonction d la tmpératur t d la composition ds gaz [39]. Ls figur II-3 t II-4 donnnt la variation d la viscosité, t la conductibilité thrmiqu d crtains mélangs plasmagèns n fonction d la tmpératur [36]. L dévloppmnt ds msurs spctroscopiqus automatisés prmt aujourd hui d msurr rapidmnt ls isothrms ds jts plasma [36, 39]. Sur la figur II-6 st rprésnté ls isothrms d un gaz plasma azot-hydrogèn, à la prssion atmosphériqu. 11

19 Chapitr II : Etat général ds connaissancs sur ls projctions plasma On rmarqu qu la longuur du jt thrmiqu st assz faibl, n fft ls zons dont la tmpératur st supériur à 5000K n xcèdnt pas 50 mm sur l ax d la torch. La form t la longuur ds isothrms dépndnt fortmnt d la géométri ds tuyèrs t d l injction du gaz plasma, d la natur ds gaz plasmagèns t d la puissanc du génératur [24]. Fig.II-3 : Viscosité d crtains mélangs plasmagèns Fig.II-4 : Conductibilité thrmiqu d crtains mélangs plasmagèns. II.1.3 Champ d vitss du jt plasma L échang thrmiqu ntr la flamm plasma t l substrat, n grand parti s fait par convction. Pour définir l cofficint d convction, il st nécssair d connaîtr l champ d vitss ds gaz plasma. Dans la plupart ds cas, ls méthods utilisés pour msurr ls vitsss ds gaz plasma sont basés sur l fft Dopplr [31]. 12

20 Chapitr II : Etat général ds connaissancs sur ls projctions plasma Un xmpls d msur d vitsss d gaz plasma st montré sur la figur II-5, pour un gaz plasma azot-hydrogèn, à la prssion atmosphériqu t d puissanc 30 kw. Fig.II-5 : Champ d vitsss pour un gaz plasmagèn azot-hydrogèn d puissanc 30 kw. Fig.II-6: Champ d tmpératur pour un gaz plasmagèn azot-hydrogèn d puissanc 30 kw 13

21 Chapitr II : Etat général ds connaissancs sur ls projctions plasma II.2 INTERACTION PARTICULE/PLASMA Un gaz portur, généralmnt d l argon, st utilisé pour injctr la poudr à l intériur d la flamm plasma, à travrs un injctur n aval d la torch (figur II-2). Ls particuls sont alors ntraînés t accélérés par l jt plasma. Un échang d quantité d mouvmnt t d chalur s opèr alors ntr l jt plasma t ls particuls, cla conditionn ls vitsss, ls trajctoirs t l état d fusion ds particuls. Ls particuls sont alors fondus par la chalur du jt plasma avant d vnir s écrasr avc un grand vitss sur l substrat. Sul un parti ds particuls projtés form l rvêtmnt (rndmnt d la projction). En fft, l autr parti ds particuls n st pas complètmnt fondu au momnt d l impact, ou n attint pas sa cibl, ou ncor st éjcté du jt plasma [17]. Pour avoir un bonn qualité d rvêtmnt, il st indispnsabl qu ls particuls soint bin fondus au momnt d l impact, ou du moins très ramollis. Ls paramètrs d projction (tablau II-1) sont n général optimisés, d un part pour améliorr la qualité du rvêtmnt (bonn adhérnc, faibl porosité. tc.), t d autr part pour augmntr l rndmnt. L tablau II-1, rgroup ls principaux paramètrs d projction sur lsquls on put agir dirctmnt, ou indirctmnt. L matériau projté L support (ou l substrat) La sourc d énrgi L distributur d poudr L mod opératoir d projction La dimnsion moynn ds grains t lur form. Ls propriétés physiqus t chimiqus d la poudr (conductivité thrmiqu, point d fusion.. tc.). Ls propriétés physiqus t chimiqus du matériaux support (cofficint d la dilatation thrmiqu, cofficint d conductivité thrmiqu tc.). L état d surfac du support (rugosité). Sa tmpératur au cours d la manipulation. La puissanc fourni. La natur du gaz plasmagèn. L débit du gaz. La géométri d la torch. La natur t l débit du gaz portur. L débit d poudr. La vitss ds poudrs au nivau d l injction (vitss d injction). La distanc d la torch au substrat. L mouvmnt rlatif substrat/torch. L atmosphèr d projction (à l air libr ou n atmosphèr contrôlé). La natur du systèm d rfroidissmnt du substrat. II.2.1 Vitss ds particuls Tablau II -1 : Paramètrs d projction L matériau à projtr st introduit sous form pulvérulnt dans l jt plasma qui, du fait d sa grand vitss, l ntraîn vrs la pièc à rvêtir. La vitss ds particuls à l intériur du jt dépnd d la vitss d injction, d la granulométri t d la position d la particul dans l jt plasma. 14

22 Chapitr II : Etat général ds connaissancs sur ls projctions plasma En fft pour qu ls particuls arrivnt à pénétrr dans l jt plasma, lls sont introduits avc un vitss d pénétration. Si l énrgi cinétiqu n st pas suffisant, ls particuls n arrivnt pas à pénétrr l jt plasma, t rstnt n périphéri ou ls tmpératurs du gaz plasma sont faibls t n fondnt pas. D mêm, si ls vitsss sont trop grands ls particuls travrsnt l jt plasma, t lls n sont pas fondus. En fait, la prssion d injction doit prmttr aux particuls d attindr l cntr du jt avc la plus faibl vitss possibl, pour pouvoir êtr ntraînés suivant l ax dans ls régions ls plus chauds d la flamm. Nous pouvons obsrvr sur la figur II-7, l influnc d la vitss d injction sur ls vitsss d particuls d Alumin d 18 m dans un jt d plasma azot-hydrogèn (P = 29 kw) [36]. Il st clair qu la vitss ds particuls influnc dirctmnt l tmps d séjour à l intériur d la flamm, t donc la tmpératur ds particuls. Fig.II-7: Vitss d particuls d Alumin dans un gaz plasma N 2 -H 2 n fonction d la vitss d injction II.3 FORMATION DU DEPOT L dépôt obtnu st formé par l mécanism d'adhésion intr-particuls t particulsubstrat. Il st n général l résultat d plusiurs mécanisms d liaisons opérant simultanémnt, c qui donn un structur lamllair. Pour aidr à la compréhnsion, Ls schémas (figur II 8 b) montrnt ls différnts phass d projction. L écrasmnt d un nouvll particul sur cll précédmmnt déposé intrvint tout ls 10-2 à 10-1 s alors qu la solidification d la lamll dur au plus 10-5 s. L contact ntr lamlls t/ou ntr ls lamlls t l substrat va n grand parti conditionnr ls propriétés thrmiqus t mécaniqus ds dépôts. L accrochag d un particul sur cll précédmmnt déposé t/ou sur l substrat st réalisé par différnts mécanisms [7, 35] : - l accrochag mécaniqu : c st l mécanism l plus important pour ls dépôts céramiqus. C typ d accrochag st très amélioré par l sablag préalabl ds substrats. 15

23 Chapitr II : Etat général ds connaissancs sur ls projctions plasma Ls lamlls suivnt ls contours ds aspérités t ls srrnt n s contractant au rfroidissmnt (figur II-8 a). - l adhésion chimiqu : c typ d adhésion st obsrvé dans l cas où l substrat t l matériau projté présntnt un affinité chimiqu avc la formation d un alliag ou d un composé intrmétalliqu. - l adhésion physiqu : contrôlé par l phénomèn diffusionnl, qui a liu lorsqu l substrat st maintnu à tmpératur élvé, comm lors d la projction sous vid. Figur II-8 a: écrasmnt d particuls sur ds aspérités Après écrasmnt, l énrgi thrmiqu contnu dans la particul st xtrait par l substrat, d où un rfroidissmnt très rapid ds particuls d l ordr d 10 5 à 10 6 K/s. C rfroidissmnt brutal induit ds taills d grains très fins (moins d 1 m) favorabls aux propriétés mécaniqus, mais provoqu l apparition d phass métastabls, voir vitruss. Par xmpl pour l Alumin, il y a l apparition d la phas [7]. II.3.1 Ecrasmnt ds particuls L écrasmnt ds particuls dépnd d lur vitss t d lur viscosité au momnt d l impact. Ct écrasmnt s fra d autant miux qu ls particuls fondus sont chauds pour augmntr lur mouillabilité t donc lur capacité à rmplir ls trous dus au rcouvrmnt. Crtains auturs ont étudiés (MADJESKI) ct écrasmnt t ont défini un dgré d écrasmnt qui st l rapport du diamètr d la particul avant t après écrasmnt : d d 2 Vd 1 1,29 0,2 d 2 : d 1 : : : V d : Diamètr d la particul après écrasmnt (disqu) Diamètr d la particul avant écrasmnt Dnsité d la particul fondu Viscosité d la particul fondu Vitss d impact Il a été vérifié qu pour la projction plasma c rapport st d 3 à 7 [36]. II.3.2 Solidification t rfroidissmnt ds particuls La vitss d rfroidissmnt a été stimé à l K/s. En fft, la chalur st rapidmnt xtrait au travrs d l intrfac substrat/particul, c qui impliqu un grand vitss d rfroidissmnt [38]. 16

24 Chapitr II : Etat général ds connaissancs sur ls projctions plasma L nombr d Biot st utilisé pour caractérisr c procssus : hi x Bi s d h i : cofficint d transfrt thrmiqu intr-facial s : épaissur d la particul d : conductivité thrmiqu Si B i <<1, l transfrt d chalur st dominé par l cofficint intr-facial d échang thrmiqu t ls gradints thrmiqus dans l dépôt t l substrat sont faibls (rfroidissmnt Nwtonin, systèm minc). A l opposé, quand B i >>1, l transfrt d chalur st contrôlé par ls propriétés thrmiqus du substrat t d la particul (rfroidissmnt idéal, systèm épais). Ls paramètrs qui influncnt la vitss d rfroidissmnt ont été étudié t ont fait l objt d un invstigation numériqu par Ruhl [32], qui a conclu qu l épaissur d la particul t l cofficint d transfrt thrmiqu intrfacial sont ls paramètrs ls plus importants. Très pu d travaux ont été consacrés pour étudir systématiqumnt ls cofficints d transfrt thrmiqu dans ls différnts typs d projction thrmiqu. 17

25 Chapitr II : Etat général ds connaissancs sur ls projctions plasma Transport du matériau liquid du rvêtmnt Impact sur la surfac Transfrt d chalur d la particul au métal d bas Solidification t contraction du matériau d rvêtmnt Figur II 8 b : Procssus d formation du dépôt Liaison mécaniqu Fusions locals 18

26 Chapitr II : Etat général ds connaissancs sur ls projctions plasma II.4 PARAMETRES CONTROLANT LA PROJECTION PLASMA Slon l typ d l application, l contrôl n prmannc d la plupart ds paramètrs d projction st indispnsabl pour l obtntion d un bonn qualité d dépôt. L tablau suivant énumèr la plupart d cs paramètrs [31]. Tandis qu la qualité d'un rvêtmnt d projction plasma st influncé par plus d 50 paramètrs intrdépndants, c qui rnd l'optimisation ds conditions d projction difficil. L tablau suivant énumèr la plupart d cs paramètrs. La sélction t l'optimisation ds paramètrs n puvnt êtr accomplis qu si ls ffts ds variations ds conditions sont parfaitmnt connus. Ctt connaissanc s'st ssntillmnt dévloppé d façon mpiriqu faut d moyns d diagnostic appropriés aux jts d plasma t aux particuls n vol. Ls fforts actuls dans ls miliux univrsitairs t industrils dvraint prmttr d miux comprndr t maîtrisr la tchniqu d projction plasma t ainsi d'accroîtr la qualité ds dépôts. 19

27 Chapitr II : Etat général ds connaissancs sur ls projctions plasma II.4.1 Paramètrs d qualité d un rvêtmnt plasma Qualité du dépôt plasma PARAMETRES D INFLUENCE Dépnd d Etat d fusion t vitss ds particuls à l impact Contrôlés par Transfrt d chalur t d quantité d mouvmnt ntr l plasma t ls particuls Natur ds gaz plasmagèns Débits ds gaz plasmagèns Géométri d la torch Rfroidissmnt d la torch Sourc d courant Intnsité d courant Natur, morphologi t taill ds particuls Vitss d injction Angl t position d injction Distanc d projction Réaction chimiqu ds particuls avc ls gaz nvironnants Transfrt d chalur avc l substrat Natur ds gaz plasmagèns Natur ds gaz nvironnants (air ou atmosphèr contrôlé) Réactivité d la surfac ds particuls (dépnd d la natur t d la morphologi ds poudrs) COntrôl - La taill ds grains - Ls contraints - Ls phass métastabls - L adhérnc - l adhérnc - mtastabls Mouvmnt rlatif d la torch par rapport à la pièc contrôl L épaissur t la régularité du dépôt La tmpératur du substrat La natur du substrat L état d surfac du substrat (rugosité, proprté,.) Vitss rlativ d la torch par rapport à la pièc La form d la pièc Trajctoir d la torch par rapport à la pièc 20

28 Chapitr II : Etat général ds connaissancs sur ls projctions plasma II.4.2 Conditions pour l obtntion d un bon dépôt L obtntion d un rvêtmnt dns t adhérnt xig qu [15] : un fraction important ds particuls injctés soint dans un état liquid ou smi pâtux lorsqu'lls attignnt l substrat ou ls particuls précédmmnt déposés ; ls particuls fondus aint un vitss suffisant pour s étalr t coulr sur ls irrégularités du substrat ou sur ls particuls précédmmnt déposés ; un fort adhérnc intr particuls t particul-substrat soit établi ; un sous-couch d accrochag st souvnt projté avant la projction du dépôt pour prmttr un adhésion du rvêtmnt sur l substrat. Un attntion tout particulièr doit évidmmnt êtr porté à la fusion ds particuls. Ctt fusion dépndra : du nivau d tmpératur d la flamm, fonction du mélang d gaz mployé ; d la quantité d chalur disponibl dans ctt flamm ; du point d'injction d la poudr dans la flamm ; d la vitss d injction ds particuls ; du tmps d séjour d la particul dans la flamm, qui lui-mêm dépnd d la vitss du gaz, d la dimnsion, d la form t d la dnsité ds particuls. La form t la dimnsion ds particuls étant fonction du mod d'élaboration d la poudr. Il st nécssair, pour ffctur un choix corrct, d s'intérssr aux tchniqus d sa fabrication t à son mod d élaboration car ils influncnt dirctmnt ls propriétés du rvêtmnt. II.5 PREPARATION DES SURFACES AVANT LE DEPOT Ds contaminants oxydés ou carbonés n faibl épaissur (10 à 100 Angströms) mpêchnt un bonn adhésion. La préparation ds surfacs avant l étap d projction st un point clé pour la bonn tnu ds rvêtmnts. L mod principal d l adhérnc ds dépôts réalisés par projction thrmiqu st l ancrag mécaniqu. Cci impos un préparation spécifiqu d la surfac à rvêtir avc un étap d dégraissag pour éliminr ls graisss t ls huils, suivi d un étap d sablag visant à générr un micro géométri (rugosité) favorabl d la surfac. La tchniqu du sablag prmt aisémnt d réalisr ctt rugosité n créant, par projction d particuls durs, ds déformations plastiqus localisés. L optimisation ds conditions d sablag pour la projction plasma a été étudié par R. APPS [1, 7]. Tout fois dux inconvénints majurs puvnt êtr rlvés dans c procédé, d un part suit à l utilisation ds solvants t autrs produits chimiqus t lurs impacts néfast sur l nvironnmnt t ls opératurs, d autr part l opération d sablag laiss très souvnt ds résidus d abrasifs ancrés dans l substrat (ls quantités sont d autant plus importants qu l substrat st ductil). Cs résidus altèrnt l adhérnc du rvêtmnt t réduisnt l nduranc du substrat[1,7]. Afin d évitr cs inconvénints, plusiurs tchniqus ont été miss n plac tlls qu l érosion au jt d au, l décapag, l élctroérosion ou l sablag à la glac ; mais lls dmurnt très coûtus t d fficacité réduit. Par contr l procédé PROTAL actullmnt utilisr pour ds prstations industrills d projction plasma chz Sulzr-Mtco [10]. 21

29 Chapitr II : Etat général ds connaissancs sur ls projctions plasma L procédé PROTAL fait référnc à un tchniqu prmttant simultanémnt d préparr la surfac à rvêtir t d rvêtir ctt surfac. Cci st obtnu par l association à la torch d projction avc un torch lasr. L arrangmnt géométriqu ntr ls dux torchs st réalisé d manièr qu l traitmnt lasr s suprpos avc la phas d dépôt, t ainsi ls particuls fondus arrivnt sur un substrat virg d oxyds t d polluants. Ls ffts d l irradiation lasr sont d éliminr ls films d contamination t ls couchs d oxyds t d ngndrr un état d surfac favorabl à l adhérnc du dépôt, t d limitr la rcontamination au cours du procss. II.6 GENESE DES CONTRAINTES RESIDUELLES DURANT LA PROJECTION PLASMA Ls contraints résidulls sont ls contraints qui subsistnt dans l matériau n l absnc d tout sollicitation xtériur. Il a été prouvé par plusiurs étuds, qu dans ls dépôts plasma, ls contraints résidulls jount un rôl dirct pour ls prformancs t la tnu n srvic du rvêtmnt. Ls dépôts plasma puvnt êtr soumis à ds contraints résidulls d traction ou d comprssion parfois très élvés, t souvnt supériurs aux limits d ruptur du matériau [40]. Cs contraints résidulls sont dus au rfroidissmnt très rapid t à la solidification du dépôt durant la projction. Plusiurs mécanisms xistnt durant la projction plasma, t qui provoqunt l dévloppmnt d cs contraints résidulls [29, 20, 18]. Crtains auturs [2, 28] ont utilisé différnts tchniqus pour diminur ou optimisr cs contraints résidulls (utilisation d sous-couchs, rfroidissmnt du substrat, tc.). Slon l échll d obsrvation, dux ordrs d contraints puvnt êtr définis : contraints d'ordr I : c sont ls contraints intrinsèqus (d trmp, transformation d phass, tc.). contraints d'ordr II : c sont ls contraints thrmiqus dus aux différncs ds cofficints d dilatation thrmiqu. Dans c paragraph, nous allons décrir l mécanism d gnès ds contraints résidulls dans un dépôt plasma. Pour cla, nous considérons ls hypothèss suivants [20] : 22

30 Chapitr II : Etat général ds connaissancs sur ls projctions plasma comportmnt élastiqu durant l rfroidissmnt ; contact intr facial parfait ; l'épaissur du dépôt st négligabl dvant cll du substrat ; l substrat st maintnu à un tmpératur T durant la projction ; l dépôt pass à la tmpératur T instantanémnt. II.6.1 Contraints intrinsèqus C sont ls contraints d'élaboration, qu'on n put attribur aux différncs ntr ls cofficints d dilatations thrmiqus, t lls puvnt avoir plusiurs origins, parmi lsqulls : 1) Transformation d phass L rfroidissmnt rapid du rvêtmnt put crér ds phass intrmédiairs métastabls t parfois amorphs. Cs phass s transformnt n général n un phas cristallin plus compact d'où contraction t apparition d contraints d traction. 2) Gradint thrmiqu Pndant la projction plasma, ds gradints thrmiqus xistnt dans ls couchs suprficills. Il apparaît alors ds contraints d tractions associés à cs gradints [20] : = E..T (1) 3) Contraints d trmp Just après l'impact ds particuls sur l substrat, clls ci rfroidissnt rapidmnt t passnt d'un tmpératur proch d la tmpératur d fusion, à la tmpératur moynn du substrat durant la projction. C rfroidissmnt très rapid provoqu un contraction. Ctt contraction st accompagné par l'apparition d contraints d trmp. On put évalur cs contraints par un calcul simpl, dans l cas d'un dépôt qui pass instantanémnt d la tmpératur d fusion vrs la tmpératur moynn du substrat pndant la projction. En gardant ls hypothèss définis plus haut, la contraint d trmp à la tmpératur ambiant s'xprim comm suit : tr (T a ) = E d (T a ). d. (T f - T s ) (2) Ls contraints d trmp sont toujours n traction, t puvnt êtr très importants. Par xmpl, pour un dépôt d'alumin qui subit un variation d tmpératur d 100K, la contraint d trmp st d l'ordr d 100 MPa [20]. Il xist alors, forcémnt ds mécanisms d rlaxation pour cs contraints. Parmi cs mécanisms, l plus important st crtainmnt la micro fissuration ds dépôts [8, 29, 18]. II.6.2 Contraints thrmiqus Généralmnt, il xist toujours un différnc ntr ls cofficints d dilatations thrmiqus du substrat t du dépôt. Quand l'nsmbl rfroidi d'un tmpératur moynn T s vrs la tmpératur ambiant, ds contraints s produisnt alors dans l substrat t l dépôt. Cs contraints puvnt êtr d traction ou d comprssion suivant qu l cofficint d dilatation du dépôt st plus élvé ou plus faibl qu clui du substrat. Il st possibl d contrôlr n parti cs contraints n agissant sur la tmpératur du substrat avc un rfroidissmnt approprié d façon à contrôlr T s. En fft, la tmpératur du 23

31 Chapitr II : Etat général ds connaissancs sur ls projctions plasma substrat put êtr maintnu à moins d 100 C avc un rfroidissmnt, alors qu'll put attindr 400 à 500 C sans rfroidissmnt [8]. L calcul d cs contraints thrmiqus dans l cas simpl d'un modèl élastiqu uni axial avc rfroidissmnt isothrm s'xprimnt comm suit [7] : th (T a ) = E d (T a ) ( d - s ) (T s - T a ) (3) II.6.3 Contraints résidulls Si nous considérons uniqumnt la contraint du à la trmp comm contraint intrinsèqu, on put évalur à partir ds équations (2) t (3) par un calcul simpl la contraint résidull dans l dépôt avc ls hypothèss énumérés précédmmnt [18] : r (T a ) = tr (T a ) + th (T a ) (4) C qui conduit à l xprssion d la contraint résidull suivant : (T ) tr s ( T ) x T T a d s s a x E d (Ta ) (5) E (T ) d s Du fait qu ls contraints d trmp sont toujours d traction, ls contraints thrmiqus qui dépndnt ds cofficints d dilatations thrmiqus définissnt donc l sns ds contraints résidulls dans un dépôt plasma. L tablau II-2 t la figur II-9 donnnt l sns t l allur ds contraints. Typ d contraint Sns ds contraints suivant ls valurs ds cofficints d dilatation thrmiqu d < s d = s d > s Contraint d trmp Contraint thrmiqu Contraint résidull + ou (+) contraint n traction, (-) contraint n comprssion Tablau II-2: Sns ds contraints résidulls dans un dépôt plasma Figur II-9 : Schématisation ds contraints d trmp t ds contraints thrmiqus (1) : contraints intrinsèqus ; (2) : contraints thrmiqus (3) : contraints résidulls totals. La valur d T s * put êtr calculé à partir d la rlation (5) pour r (T s *) = 0. 24

32 Chapitr II : Etat général ds connaissancs sur ls projctions plasma II.7 CARACTERISATION DE L ETAT MICROSTRUCTURAL DES DEPOTS PLASMA II.7.1 Porosité Dans ls matériaux projtés par plasma, apparaissnt toujours ds porosités. Lors d la projction, ls particuls ont touts la mêm dirction moynn, d où l xistnc d l fft "d ombr", ntraînant ds porosités. Cs porosités dépndnt d l état d fusion ds particuls lors d l impact, ainsi qu d lur mouillabilité qui conditionnnt lur aptitud à rmplir ls vids t à accommodr ls irrégularités d la surfac du substrat t/ou ds particuls déjà déposés. Cs dux propriétés sont dirctmnt liés à la tmpératur t à la vitss ds particuls, t donc à la puissanc d la torch t à sa distanc d la cibl. Cla a été mis n évidnc par plusiurs auturs. Sur la (figur II-10), on voit l influnc d la distanc torch/substrat, t d la puissanc d la torch sur l taux d porosité. L mélang plasmagèn utilisé st d l argon - hydrogèn. L taux d porosité st fonction ds conditions d projction [21], mais aussi d la taill ds particuls t d lurs morphologis. Il vari généralmnt d 5 à 20 %. Ls pors sont classés slon lur taill n dux catégoris [29]: Typ I : 3 - l0 m. Typ II : 0,1 m. Typ I : c typ d porosité a pour origin un rmplissag incomplt lors du dépôt traduisant généralmnt un fusion incomplèt. Typ II : caractéristiqu ds rvêtmnts céramiqus, ctt porosité put êtr du à un contact intr lamllair incomplt [26]. C contact a été évalué à 20 % d la surfac total par Mc Prson [25]. C typ d porosité st inhérnt au procédé t à la natur du matériau t n put êtr évité, mais put êtr réduit par un choix judiciux ds paramètrs d projction. Figur II-10: Variation du taux d porosité n fonction d la puissanc d la torch t d la distanc d projction [16] La porosité a ds influncs néfasts sur ls propriétés thrmiqus t mécaniqus ds rvêtmnts [29] : chut d plus d 75 %, d la valur du modul d Young par rapport au matériau dns ; diminution d la durté t d la résistanc à la traction ; 25