ELABORATION DE DEPOTS COLD SPRAY A PARTIR DE POUDRES TRAITEES ET NON TRAITEES

Procédé cold spray

La projection dynamique par gaz froid, ou plus communément appelée cold spray, est le plus récent procédé de la famille de la projection thermique. Il a été développée à L’institut de Mécanique Théorique et Appliquée de la branche sibérienne de l’Académie Russe des Sciences par le docteur Anatoli Papyrin et ses collègues, dans les années 1980, [1], [2]. Au cours de ces essais, il a mis en évidence que les particules d’aluminium à vitesse élevée, n’érodent plus le substrat mais y adhéraient. A. Papyrin et col. en ont conclu que la formation du revêtement était attribuée à la vitesse élevée des particules, entre 400 et 500 m.s-1 et non aux faibles températures des particules en vol. Le concept de projection dynamique à froid est ainsi né. Le premier brevet américain a été publié en 1994 [3] et le premier brevet européen en 1995..

Cold spray parmi les procédés de projection thermique

Le procédé cold spray appartient à la famille des procédés de projection thermique, même si l’adhésion des particules est liée à l’énergie cinétique et non thermique comme pour les autres procédés de cette famille. De par ce fait, les températures des gaz et des particules de poudres mises en jeu lors de ce procédé sont bien plus faibles, entre 20 et 1100°C pour le gaz, puisque les particules restent à l’état solide et les vitesses atteintes par celles-ci sont comprises entre 300 et 1200 m.s-1 Le cold spray est le procédé le plus récent de cette famille..

Cold spray pour la fabrication additive

Le procédé cold spray permet de réaliser des dépôts avec des rendements élevés, en particulier pour les métaux purs, pouvant aller jusqu’à des valeurs supérieures à 90%. De plus, les revêtements obtenus par cold spray sont très denses, avec des taux de porosité très souvent inférieurs à 1%, et pouvant être proches d’un matériau massif. L’absence de changement de phase présente plusieurs avantages. Le premier est que les propriétés initiales de la poudre, telles que sa composition chimique ou sa microstructure, sont conservées. Le fait que les particules restent à l’état solide tout au long du processus limite également les contraintes résiduelles de tension au sein du dépôt. En effet, la plupart de ces contraintes sont générées par le changement de phase ainsi que par la contraction du dépôt lorsqu’il refroidit.

Cela permet aussi la construction de revêtements avec une très large gamme d’épaisseur, pouvant aller d’une centaine de micromètres jusqu’à atteindre plusieurs centimètres d’épaisseur, en fonction du choix du couple de matériaux substrat / dépôt qui influe également sur la répartition des contraintes donc sur l’épaisseur maximale su revêtement.

En outre, les dépôts réalisés par cold spray possèdent des propriétés mécaniques élevées, parfois proches de celles des matériaux massifs. D’autre part, les faibles températures du gaz et des particules, lors de la projection, permettent d’obtenir des taux d’oxydation très faibles, c’est-à-dire des dépôts quasi exempts d’oxydes, [5] [6]. Il est donc possible de réaliser par cold spray des revêtements présentant de bonnes propriétés de conduction électrique et thermique.

Fabrication additive par cold spray

Place du cold spray parmi les différents procédés de fabrication additive

Les procédés de fabrication additive regroupent l’ensemble des procédés permettant de réaliser des pièces par ajouts de matière successifs et non par enlèvement de celle-ci comme c’est le cas en usinage. Ces procédés possèdent de nombreux avantages d’un point de vue économique car ils nécessitent moins de matière pour réaliser une pièce ainsi que la possibilité de réaliser des formes impossibles à effectuer par usinage. Les procédés de fabrication additive les plus connus sont ceux par fusion comme le SLM (Selective Laser Melting), le LBD (Layer Beam Deposition) ou le FFF (Fused Filament Fabrication) ce dernier étant utilisé dans les imprimantes 3D. Les procédés par fusion, comme leurs noms l’indiquent, nécessitent de faire fondre la matière afin d’obtenir la forme voulue. Le cold spray n’a que récemment été ajouté à la liste des procédés de fabrication additive en tant que CSAM (Cold Spray additive Manufacturing) [26].

Par rapport aux autres procédés de projection, le cold spray permet de meilleurs rendements de dépôt, ce qui permet une plus grande productivité, même si la précision de la forme obtenue est moindre que celle d’autres procédés comme le frittage sélectif par laser .

De plus le cold spray présente l’avantage de pouvoir réaliser des pièces de grandes dimensions, ce qui reste problématique pour les procédés de fabrication additive par lit de poudre dont la dimension maximale des pièces est limitée par la taille de l’installation, [26][28]. D’autre part, les éprouvettes cold spray, après un traitement thermique, présentent des propriétés semblables voire supérieures à celles réalisées par d’autre procédé de fabrication additive par fusion comme le SLM après un traitement thermique identique .

Etat de l’art de la fabrication additive par cold spray

Le cold spray, en dehors de son application aux revêtements, est considéré comme procédé de fabrication additive pour deux applications majeures, la réparation et la fabrication de pièces, [26][32].

Réparation

La réparation par cold spray peut être utilisée pour de petites zones, comme sur des carénages d’aéronef ou pour des réparations plus massives, comme le simple ajout de matière sur une pièce . Le cold spray est généralement utilisé pour recharger des pièces dont certaines zones ont été oxydées, abimées ou pour des défauts d’usinage.

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Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 : BIBLIOGRAPHIE
Introduction
1. Procédé cold spray
1.1. Cold spray parmi les procédés de projection thermique
1.2. Principe du procédé cold spray
1.3. Influences des différents paramètres de projection
1.3.1. Choix du gaz
1.3.2. Température de projection
1.3.3. Pression de projection
1.3.4. Distance de projection
1.3.5. Angle de projection
1.4. Cold spray pour la fabrication additive
2. Fabrication additive par cold spray
2.1. Place du cold spray parmi les différents procédés de fabrication additive
2.2. Etat de l’art de la fabrication additive par cold spray
2.2.1. Réparation
2.2.2. Fabrication direct de pièce
2.3. Différentes techniques de fabrication additive par cold spray
3. Elaboration de dépôts d’alliages d’aluminium 2024
3.1. Propriétés de l’alliage d’aluminium 2024
3.1.1. Composition du 2024
3.1.2. Processus de durcissement par traitement thermique
3.2. Elaboration des poudres
4. Simulation numérique du procédé cold spray
4.1. Particules en vol
4.2. Simulation d’impact
4.2.1. Simulation d’une particule élémentaire
4.2.2. Simulation d’impact multi-particule
4.3. Modèle d’empilement
Références bibliographiques
CHAPITRE 2 : MATERIAUX ET PROCEDES
Introduction
1. Matériaux
1.1. Substrat
1.2. Poudres
2. Procédé d’élaboration par cold spray
2.1. Installations cold spray
2.1.1. Installation cold spray « haute pression »
2.1.2. Installation cold spray « moyenne pression »
2.1.3. Installation cold spray « basse pression »
2.2. Mesure de la vitesse des particules en vol
3. Moyens de caractérisation des poudres et des revêtements
3.1. Microscopie
3.2. Dureté
3.3. Profilométrie
4. Moyen de Calcul
Références bibliographiques
CHAPITRE 3 : TRAITEMENT THERMIQUE DE LA POUDRE
Introduction
1. Traitement thermique en lit fluidisé
1.1. Détermination des paramètres du traitement thermique
1.2. Réalisation du traitement thermique en lit fluidisé
2. Influence du traitement thermique sur les particules de poudre
2.1. Influence du traitement thermique sur la microdureté
2.2. Influence du traitement thermique sur la microstructure
2.2.1. Echelle optique
2.2.2. Echelle MEB
2.2.3. Echelle MET
Conclusion
Références bibliographiques
CHAPITRE 4 : ELABORATION DE DEPOTS COLD SPRAY A PARTIR DE POUDRES TRAITEES ET NON TRAITEES
Introduction
1. Mesures de vitesse
1.1. Installation « basse pression »
1.2. Installation « moyenne pression »
1.3. Installation « haute pression »
1.4. Comparaison entre les différentes installations
2. Rendement
2.1. Poudres non traitées
2.1.1. Installation « basse pression »
2.1.2. Installation « moyenne pression »
2.1.3. Installation « haute pression »
2.1.4. Influence des paramètres de projection
2.2. Poudres traitées
2.2.1. Installation « basse pression »
2.2.2. Installation « haute pression »
2.3. Influence de l’angle de projection
3. Microstructure
4. Propriété mécaniques
4.1. Dureté
4.1.1. Influence des paramètres de projection
4.1.2. Influence de l’épaisseur du dépôt
4.1.3. Influence du traitement thermique
4.2. Déformation plastique des particules
4.2.1. Influence du traitement thermique
4.2.2. Influence des paramètres de projection
5. Discussion
Conclusion liographiques
CONCLUSION GENERALE