La rugosité de surface du substrat et l’adhérence de revêtements à base d’aluminium

Gaz principal de projection

   La composition chimique du gaz cold spray est classiquement l’air, l’hélium, l’azote et leurs mélanges. L’utilisation de l’azote réduit l’oxydation du matériau projeté par rapport à l’air. Mais c’est la vitesse du gaz Vg qui distingue l’azote de l’hélium. Déterminée à partir du nombre de Mach et du coefficient isentropique du gaz, la vitesse de l’hélium est bien plus élevée [SUO15]. Il est un meilleur propulseur (par rapport à l’azote) du fait de sa plus petite masse moléculaire et de son plus grand coefficient isentropique (1,66 contre 1,4). Même s’il est très onéreux par rapport aux autres gaz, il peut être retenu, dans certains cas, pour une utilisation industrielle. Une vitesse des particules projetées plus élevée est favorable à la densification de la microstructure des revêtements. Le débit de gaz est généralement de l’ordre de 20 g.s-1. Une installation de type CGT K4000 (Figure 1-7) permet le chauffage de 90 m3 de gaz en moins d’une minute. La pression d’entrée des gaz peut aller de 0,5 à 4,0 MPa et les températures peuvent atteindre les 1073 K en sortie (cas des matériaux à plus haut point de fusion). La vitesse du gaz Vg est toujours supérieure à celle de la particule.

Recristallisation dynamique

   Du fait du choc très violent entre la particule et le substrat à des vitesses d’impact élevées dans le flux gazeux, la déformation plastique (vitesse de déformation de l’ordre de 109s-1) et l’élévation en température aux interfaces (109K.s-1) de la particule à l’impact sont élevées [ASS03]. Cela engendre des transformations microstructurales majeures. L’étude des interfaces par microscopie électronique en transmission (MET) a mis en exergue des interfaces perturbées par la déformation plastique. Les travaux de Borchers BOR03] concernant des interfaces Cu/Cu ont permis d’identifier différentes zones sur un cliché MET (Figure 1-10) :
– Zone A : Forte densité de dislocations s’arrangeant sous forme d’empilement (taille de grains > 500 nm).
– Zone B : Grains allongés très fortement déformés avec une très haute densité de dislocations au voisinage du joint de grain.
– Zone C : Grains fins équiaxes (100 nm), zones très déformées au voisinage des joints de grains mais le centre des grains ne présente pas de dislocations.
– Zone D : Grains recristallisés (1 µm) exempts de dislocation mais maclés.
Ces quatre zones résument l’ensemble du processus de recristallisation dynamique se produisant au cours de l’impact d’une particule par cold spray. Une caractérisation par EBSD d’un revêtement élaboré par cold spray de nickel conclut aussi à une recristallisation dynamique interfaciale et propose un mécanisme fondé sur une recristallisation dynamique selon le mécanisme proposé par Mishra MIS07] maislocalisé à l’interface entre particules ZOU09].

Traitement thermique de l’aluminium

   Une amélioration des propriétés mécaniques ou thermiques des matériaux est également possible par un traitement thermique. Il s’agit le plus souvent d’une montée en température du matériau et d’une mise en forme réalisée à une certaine température. Une multitude de traitements thermiques existent et se distinguent par la température et la durée des paliers de maintien, les températures de mise en forme et enfin le procédé de mise en forme lui-même. Sous forme de tôle fine pour son application industrielle, l’alliage 2024 subit un traitement thermique de type T3 une fois sa mise en forme effectuée. Ce traitement correspond à une mise en solution suivi d’un écrouissage à froid puis d’une maturation de l’alliage. L’objectif étant d’améliorer la résistance mécanique de ce dernier par un durcissement structural.

Effet sur l’adhérence des revêtements

   Les études menées se contredisent sur l’effet de la rugosité de surface du substrat puisque des travaux concluent tantôt sur une influence positive de la préparation de surface [ZIE14], tantôt sur un effet négatif [EVA05]. Bien que sensible aux effets d’entailles, l’alliage de titane s’est révélé être un mauvais candidat une fois sablé. En effet, l’étude conduite par Price [PRI06] a montré ce matériau sablé et revêtu de titane pur par cold spray affectait négativement la durée de vie en fatigue du matériau. Néanmoins, le procédé de sablage a su se révéler bénéfique lorsque l’élaboration de revêtements d’aluminium 2024-T3 par projection thermique était réalisée [SHA02]. La préparation de surface d’un substrat est souvent préconisée dans le cas de revêtements élaborés par projection plasma où une augmentation de l’adhérence du revêtement est généralement mesurée [COS10]. L’influence de la modification mécanique de la surface sur la cohésion et l’adhésion de revêtements élaborés par cold spray n’a, à ce jour, que très peu d’échos et s’avère complexe à expliquer. Les déformations engendrées par les particules à l’état solide et percutant à haute vitesse le substrat, modifient sa morphologie en effaçant une fraction plus ou moins grande de cette rugosité de surface. Pour modifier l’état de surface du substrat, des techniques plus récentes permettent la création de motifs réguliers : le procédé de structuration par laser par exemple. Il permet une augmentation de la surface de contact entre le substrat et le revêtement, ce qui est un facteur d’amélioration significatif de l’adhésion du revêtement réalisé par cold spray [GIR14] [GOJ15-2].

Influence de la rugosité du substrat

  L’interface revêtement-substrat générée par cold spray est conditionnée par la morphologie de la particule et du substrat mais également par les conditions d’impact. L’étude de la rugosité du substrat permet d’étudier la déformation des particules sur des rugosités de surface dont les dimensions sont figées. Des travaux ont été menés dans le domaine du placage par explosifs en mettant en évidence le rôle de la rugosité de surface des substrats recouverts [GER00] [RAG03], mais se limitent à l’impact de tôles planes. A ce jour, aucune étude ne s’est penchée sur la simulation d’impact d’une particule à haute vitesse (c’est-àdire comparable à celle obtenue par cold spray) sur des surfaces rugueuses, exceptée celle de Delloro [DEL15] mais restreint à des rugosités simplifiées. Toutefois, l’impact d’une particule sur un substrat rugueux a été entrepris par Yildirim [YIL12] afin d’analyser les phénomènes se produisant pour des vitesses relativement faibles. Ces dernières sont bien plus faibles qu’en cold spray puisqu’elles sont comprises entre 50 et 150 m.s-1 et associées à des procédés de traitement de surface tels que le grenaillage ou l’usinage par abrasion. Malgré une gamme de vitesse d’impact très éloignée de celle par cold spray, l’approche et les résultats obtenus renseignent sur l’influence de la rugosité de surface d’un substrat et sur son comportement plastique en déformation après impact. Le modèle numérique repose sur des comportements visco-plastiques de type Johnson-Cook et utilise la méthode des éléments finis. En faisant varier le diamètre de la particule proportionnellement aux dimensions des rugosités de surface, la morphologie du substrat résultant du choc solide-solide est étudiée

Mesure de vitesse des particules

Principe de fonctionnement En cold spray, les particules sont propulsées à des vitesses très élevées atteignant plusieurs centaines de mètres par seconde. Identifier ces vitesses d’impact permet de mesurer la déformation subie par la particule au moment du choc. Des appareils de mesure existent pour caractériser le flux de particules en vol. Un capteur optique prend en compte et analyse les particules qui se retrouvent devant lui : on mesure alors un signal correspondant à chaque particule. Un système de fente très rapprochée, 210 µm dans le cas du cold spray, permet de remonter à la vitesse de la particule : le temps ∆t entre le passage d’une particule par la première fente et celui de la seconde fente est mesuré. Le dispositif classique, utilisé en projection plasma (DPV 2000), détecte des particules chaudes (matériau en fusion). Cependant, en projection par gaz froid, les particules demeurent relativement froides et n’émettent aucun rayonnement leur permettant d’être détectées. Pour pallier cet effet, un pointeur laser, positionné perpendiculairement à l’axe de projection, éclaire les particules qui vont pouvoir ainsi être captées. D’autres mesures peuvent être réalisées sur les particules détectées. En effet, la quantification ainsi que la taille (diamètre moyen) des particules sont autant de renseignements permettant de caractériser le flux de poudre. La détermination du diamètre des particules s’effectue via un programme qui les considère comme sphériques. Dans le cas où une particule n’est pas projetée parfaitement perpendiculairement, un critère de dissymétrie sera appliqué. En outre, deux particules qui renverraient des mauvais signaux seront filtrées et éliminées de la mesure.
Paramètres d’acquisition du DPV 2000 Lors de leur détection, les particules renvoient un signal d’une certaine intensité proportionnelle à leur diamètre. Plus la particule est petite, plus le signal renvoyé sera faible et peut alors se retrouver mêlé au bruit de fond. Un seuillage de l’intensité du signal est appliqué et fixé à 120 mV afin de faire abstraction de ce bruit de fond mesuré. Seuls les signaux dont l’intensité est supérieure à cette valeur sont pris en compte pour les mesures. L’endroit du jet où la plus grande vitesse des particules est atteinte, peut être déterminé par un autocentrage du capteur. Celui-ci permet une recherche automatique du centre du jet de poudre. Néanmoins, il n’est pas rare que le centre réel du flux de particules soit, en réalité, décalé du fait de l’irrégularité du débit de poudre. Deux types d’acquisitions sont alors réalisés :
– La configuration en point fixe, c’est-à-dire en réalisant une mesure au centre de la tache de projection sur un nombre de particules statistiquement représentatif, soit 30 000 particules détectées ;
– Une cartographie du jet de poudre permet de déterminer les répartitions en vitesse, en nombre et en diamètre des particules suivant les axes X et Y. Dans l’étude, 64 points de mesure, pour une durée d’acquisition de 15 secondes par point et une résolution spatiale de 2 mm, sont effectués.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 : ELEMENTS BIBLIOGRAPHIQUES
INTRODUCTION
1. ADHESION DES REVETEMENTS SUR SUBSTRAT RUGUEUX
1.1. INTRODUCTION A LA THEORIE DE L’ADHESION
1.2. PREPARATION DE SURFACE, RUGOSITE ET ADHESION
1.3. QUANTIFICATION DE L’ADHERENCE DES REVETEMENTS
2. PROCEDE COLD SPRAY
2.1. CONTEXTE SCIENTIFIQUE
2.2. PRINCIPE DU COLD SPRAY
2.3. TYPES DE LIAISONS GENEREES PAR COLD SPRAY
3. REALISATION DE REVETEMENT D’ALUMINIUM SUR MATERIAUX METALLIQUES
3.1. CARACTERISTIQUES D’UN SUBSTRAT D’ALUMINIUM 2024-T3
3.2. ELABORATION DE REVETEMENTS SUR MATERIAUX METALLIQUES PAR COLD SPRAY
4. INFLUENCE DES PARAMETRES ET DES CONDITIONS DE PROJECTION SUR LA MICROSTRUCTURE ET L’ADHERENCE D’UN REVETEMENT
4.1. PREPARATION DE SURFACE DU SUBSTRAT
4.2. EFFET DE LA DURETE DU SUBSTRAT
4.3. ANGLE DE PROJECTION DES PARTICULES
5. SIMULATION NUMERIQUE DU REVETEMENT ELABORE PAR COLD SPRAY
5.1. SIMULATION D’IMPACT D’UNE PARTICULE ELEMENTAIRE
5.2. MODELISATION DE LA CONSTRUCTION D’UN REVETEMENT
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
CHAPITRE 2 : MATERIAUX, PROCEDES ET TECHNIQUES DE CARACTERISATION
INTRODUCTION
1. MATERIAUX
1.1. POUDRES METALLIQUES ET COMPOSITES
1.2. SUBSTRATS METALLIQUES
1.3. BUSE DE PROJECTION
2. PROCEDE D’ELABORATION COLD SPRAY
2.1. INSTALLATION COLD SPRAY
2.2. PROJECTION DE PARTICULES ELEMENTAIRES « SPLATS »
2.3. PROJECTION INCLINEE D’UN FLUX DE POUDRE
2.4. MESURE DE TEMPERATURE DU SUBSTRAT PAR THERMOCOUPLE
2.5. CARACTERISATION DES PARTICULES EN VOL
3. TECHNIQUES DE PREPARATION DE SURFACE DU SUBSTRAT
3.1. PROJECTION DE PARTICULES D’ALUMINE
3.2. PROJECTION DE CARBOGLACE
3.3. MODIFICATION MAITRISEE DE LA SURFACE PAR USINAGE
4. CARACTERISATION DU REVETEMENT ET DU SUBSTRAT
4.1. PREPARATION DES ECHANTILLONS
4.2. ANALYSE ET OBSERVATION MICROSTRUCTURALE
4.3. ANALYSE TOPOGRAPHIQUE DE SURFACE
4.4. DETERMINATION DE LA DURETE DES MATERIAUX
4.5. ETUDE DES CONTRAINTES RESIDUELLES
CONCLUSION SUR LES MATERIAUX ET LA PREPARATION DES SURFACES
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
CHAPITRE 3 : ELABORATION DE REVETEMENTS D’ALUMINIUM PUR SUR SUBSTRAT D’ALUMINIUM 2024-T3
INTRODUCTION
1. REALISATION DE REVETEMENTS D’ALUMINIUM SUR SUBSTRAT RUGUEUX
1.1. MODIFICATION MORPHOLOGIQUE DE SURFACE PAR SABLAGE
1.2. MODIFICATION TOPOGRAPHIQUE PAR PROJECTION DE CO2 SOLIDE
1.3. STRUCTURATION SUPERFICIELLE DE SURFACE PAR USINAGE
1.4. CONCLUSION SUR L’EFFET DE LA RUGOSITE DES SUBSTRATS
2. ELABORATION DE REVETEMENTS D’ALUMINIUM SUR SUBSTRAT PLAN 
2.1. INFLUENCE DES PARAMETRES DE PROCEDE
2.2. INFLUENCE DE LA MORPHOLOGIE ET DE LA DURETE DE LA POUDRE
2.3. INFLUENCE DE L’ANGLE DE PROJECTION
2.4. CONCLUSION SUR L’INFLUENCE DES CONDITIONS D’ELABORATION DU REVETEMENT
3. ETUDE MORPHOLOGIQUE DES SPLATS D’ALUMINIUM
3.1. REBOND DES PARTICULES
3.2. EFFET DE LA MORPHOLOGIE DU SUBSTRAT
3.3. INFLUENCE DE L’ANGLE DE PROJECTION
4. PARAMETRES PHYSIQUES DE L’IMPACT
4.1. DETERMINATION DE LA VITESSE D’IMPACT
4.2. DETERMINATION DE LA TEMPERATURE DE LA PARTICULE A L’IMPACT
4.3. DETERMINATION DE LA TEMPERATURE DU SUBSTRAT A L’IMPACT
CONCLUSION SUR L’ELABORATION DES REVETEMENTS D’ALUMINIUM
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
CHAPITRE 4 : APPROCHE GLOBALE DE LA MORPHOLOGIE DE L’INTERFACE
PARTIE 1 : ETUDE TOPOGRAPHIQUE DE LA SURFACE AVANT PROJECTION
INTRODUCTION
1. DEFINITION DE LA SURFACE
1.1. MECANISMES DE DEFORMATION DE LA SURFACE
1.2. CARACTERISATION DE LA SURFACE DU SUBSTRAT
2. ANALYSE PROFILOMETRIQUE DE LA SURFACE
2.1. TOPOGRAPHIE DE SURFACE PAR UNE ANALYSE 1D
2.2. TOPOGRAPHIE DE SURFACE PAR UNE ANALYSE 2D
3. ANALYSE STATISTIQUE ET MORPHOLOGIQUE DE SURFACE
3.1. FILTRAGE MORPHOLOGIQUE DE LA SURFACE
3.2. DETERMINATION DE LA LONGUEUR CARACTERISTIQUE
3.3. PROPORTION DES VALLEES REMPLIES PAR LES PARTICULES
4. CARACTERISATION DIMENSIONNELLE DES VALLEES DE SURFACE
4.1. METHODE D’ANALYSE DES VALLEES DE SURFACE
4.2. DIMENSIONS GEOMETRIQUES DES VALLEES
4.3. BILAN SUR LA MORPHOLOGIE DES VALLEES
CONCLUSION SUR L’ANALYSE TOPOGRAPHIQUE DE LA SURFACE
PARTIE 2 : ETUDE MORPHOLOGIQUE DE L’INTERFACE REVETEMENT-SUBSTRAT APRES PROJECTION
1. DEFINITION DE L’INTERFACE REVETEMENT-SUBSTRAT
1.1. IDENTIFICATION DU PROFIL DE L’INTERFACE PARTICULE-SUBSTRAT
1.2. DETERMINATION DE LA ZONE DE CONTACT A L’INTERFACE
1.3. DEFORMATIONS INDUITES PAR LE PROCEDE COLD SPRAY
1.4. ETUDE DES PARAMETRES DE RUGOSITE DE L’INTERFACE
2. DEFORMATION DE L’INTERFACE PARTICULES-SUBSTRAT
2.1. INFLUENCE DE LA RUGOSITE DU SUBSTRAT
2.2. INFLUENCE DE L’ANGLE DE PROJECTION
2.3. EFFET SUR LA CONSTRUCTION DU REVETEMENT
2.4. CONCLUSION SUR LES DEFORMATIONS DE L’INTERFACE
3. CARACTERISATION DIMENSIONNELLE DES VALLEES D’INTERFACE
3.1. DETERMINATION DE L’AMPLITUDE DES VALLEES
3.2. DETERMINATION DE LA LARGEUR DES VALLEES
3.3. BILAN SUR LA MORPHOLOGIE DES VALLEES
4. CORRELATION MORPHOLOGIQUE ENTRE LA SURFACE DU SUBSTRAT ET L’INTERFACE
CONCLUSION SUR LA MORPHOLOGIE DE L’INTERFACE
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
CHAPITRE 5 : APPROCHE LOCALE DE LA MORPHOLOGIE DE L’INTERFACE PARTICULE-SUBSTRAT PAR LA SIMULATION D’IMPACT
INTRODUCTION
1. PRESENTATION DU MODELE NUMERIQUE
1.1. METHODE DE CALCUL
1.2. LOIS DE COMPORTEMENT ET PROPRIETES DES MATERIAUX
2. VALIDATION DU MODELE D’IMPACT
2.1. VALIDATION QUALITATIVE DU MODELE
2.2. VALIDATION QUANTITATIVE DU MODELE
2.3. CONCLUSION SUR LE MODELE NUMERIQUE
3. IMPACT D’UNE PARTICULE SUR SUBSTRAT PLAN
3.1. INFLUENCE DES PARAMETRES D’IMPACT DE LA PARTICULE
3.2. TEMPERATURE MAXIMALE ATTEINTE A L’INTERFACE PARTICULE-SUBSTRAT
3.3. CONCLUSION SUR L’INFLUENCE DES PARAMETRES D’IMPACT
4. IMPACT D’UNE PARTICULE SUR SUBSTRAT RUGUEUX
4.1. REALISATION DU MAILLAGE DES SUBSTRATS RUGUEUX
4.2. DEFORMATION PLASTIQUE DE LA PARTICULE ET DU SUBSTRAT
4.3. ANCRAGE D’UNE PARTICULE DANS UN SUBSTRAT RUGUEUX
4.4. DISCUSSION AUTOUR DU MODELE NUMERIQUE
CONCLUSION SUR LA SIMULATION D’IMPACT D’UNE PARTICULE
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
CHAPITRE 6 : ADHERENCE DES REVETEMENTS D’ALUMINIUM PUR SUR SUBSTRATS D’ALUMINIUM 2024-T3
INTRODUCTION
1. ESSAI D’ADHERENCE PAR CHOC LASER
1.1. PRINCIPE ET MECANISMES PHYSIQUES
1.2. PRESENTATION DU DISPOSITIF EXPERIMENTAL
1.3. EXPLOITATION DE L’ESSAI
2. PARAMETRES INFLUENÇANT LA MESURE D’ADHERENCE
2.1. INFLUENCE DE L’EPAISSEUR DU REVETEMENT ET DU SUBSTRAT
2.2. EFFET DE LA RUGOSITE DE SURFACE DU REVETEMENT
2.3. CONDITIONS DE L’ESSAI PAR CHOC LASER
2.4. CONCLUSION SUR LES PARAMETRES DE L’ESSAI LASAT®
3. FISSURATION INTERFACIALE DES REVETEMENTS D’ALUMINIUM PUR
3.1. INFLUENCE DES PARAMETRES DE PROJECTION
3.2. INFLUENCE DE LA MORPHOLOGIE DE SURFACE DU SUBSTRAT
3.3. DISCUSSION SUR L’ADHERENCE DES REVETEMENTS METALLIQUES
4. APPROCHE NUMERIQUE DES CONTRAINTES DE TRACTION A L’INTERFACE REVETEMENT-SUBSTRAT
4.1. MODELE DE PROPAGATION DE L’ONDE
4.2. CONTRAINTES DE TRACTION SUBIES A L’INTERFACE REVETEMENT-SUBSTRAT
4.3. DECOHESION DE L’INTERFACE REVETEMENT-SUBSTRAT
4.4. DISCUSSION SUR LE MODELE NUMERIQUE
5. CORRELATION ENTRE LES RESULTATS D’ADHERENCE ET LA MORPHOLOGIE DE L’INTERFACE 
5.1. INFLUENCE DES PARAMETRES COLD SPRAY SUR LES DEFORMATIONS DE L’INTERFACE REVETEMENT-SUBSTRAT
5.2. INFLUENCE DE LA MODIFICATION TOPOGRAPHIQUE DE SURFACE DU SUBSTRAT SUR LA MORPHOLOGIE DE L’INTERFACE REVETEMENT-SUBSTRAT
CONCLUSION SUR L’ADHERENCE DES REVETEMENTS
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
CHAPITRE 7 : EXTENSION DE L’ETUDE A D’AUTRES MATERIAUX : APPLICATION INDUSTRIELLE A LA REPARATION DE PIECES EN ALLIAGES LEGERS
INTRODUCTION
1. EXTENSION DE L’ETUDE A D’AUTRES SYSTEMES DE MATERIAUX
1.1. ETUDE DE SYSTEMES REVETEMENT-SUBSTRAT HOMOGENES METAL-METAL
1.2. ETUDE DE SYSTEMES REVETEMENT-SUBSTRAT HETEROGENES METAL-CERAMIQUE
2. RECHARGEMENT DES COMPOSANTS ET SES APPLICATIONS
2.1. REPARATION PAR LE PROCEDE COLD SPRAY
2.2. PROJET C-SAR (« COLD-SPRAY FOR ADVANCED REPAIR »)
2.3. PROCESSUS DE RECHARGEMENT D’UN DEFAUT
CONCLUSION DE L’INFLUENCE DES MATERIAUX SUR L’ADHERENCE DES REVETEMENTS
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES

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