Procédé de projection thermique HVOF (High-Velocity-Oxygen-Fuel)

Procédé de projection thermique HVOF (High-Velocity-Oxygen-Fuel)

Le procédé HVOF est une technologie ayant moins de 35 ans sur le marché de la projection thermique. Initialement introduite par James Browning en 1982, cette technologie de pointe fait partie des techniques utilisant la flamme comme source de chaleur dans les procédés de déposition.
Dans un système typique de projection HVOF, un carburant (hydrogène, propylène, propane, kérosène) est brûlé en présence d’oxygène à haute pression dans une chambre de combustion afin de générer une flamme qui atteint une vitesse supersonique.

Cette flamme passe par un canon et se dégage dans l’atmosphère ouverte en utilisant une buse de différentes longueurs. La poudre est introduite dans le jet supersonique de façon radiale ou axiale. Les particules de poudre sont fondues, accélérées et dirigées vers la surface à recouvrir. Lorsque les particules impactent, elles se déforment, s’imbriquent et se solidifient à la surface du substrat, générant un recouvrement dense avec un faible pourcentage de porosité dans les dépôts (Pawlowski, 2008).Dans les procédés de projection thermique HVOF, des vitesses hypersoniques supérieures à 600 m/s et des températures inférieures à 2100 °C sont atteintes par les particules de poudre dans la flamme, ce qui représente un avantage en comparaison avec les autres techniques de projection thermique. Les grandes vitesses donnent une énergie cinétique plus élevée aux particules de poudre projetées, résultant d’un revêtement très dense. Les faibles températures garantissent une faible porosité inférieure à 1 % dans les revêtements. Les recouvrements de carbures de tungstène (WC) produits par projection thermique à haute vitesse (HVOF) sont une application récente de cette technologie. Ils ont été utilisés dans l’industrie aéronautique comme de remplaçants du placage électrochimique du chrome dur.

Systèmes de projection HVOF

Système de projection thermique HVOF-JET KOTE® III

Le système de projection thermique HVOF-JET KOTE® III a été développé par Deloro Stellite (récemment acheté par Kennametal StelliteTM) entre 1979 et 1986. Il est composé d’une torche (source de chaleur), d’un chalumeau (dans lequel sont réalisées les opérations de fusion du matériau projeté et d’acquisition d’énergie cinétique par les particules), d’un dispositif d’alimentation de poudre, d’une console de contrôle des gaz et d’une console de contrôle du robot automatisé .Ce système a été conçu principalement pour produire des revêtements de carbure de tungstène (WC). Il a l’avantage de générer des vitesses de particules très élevées à travers la combustion des gaz combustibles (propylène, propane ou hydrogène) et l’oxygène sous pression. Dans ce système, la poudre est injectée de façon axiale au centre du jet supersonique (flamme) où les particules fondent et sont rapidement dirigées vers la surface du substrat à recouvrir par le jet de gaz. En utilisant les paramètres optimaux, les particules déposées forment un recouvrement dense, lisse et avec une très forte résistance au décollement (Kennametal, 2006).

Quelques travaux ont été publiés avec ce système de projection thermique HVOF. (Gui et al.,2012) ont utilisé le même système que celui étudié dans cette étude (JET KOTE® III) pour étudier les contraintes résiduelles générées sur des revêtements produits avec une poudre de type WC-10Co-4Cr. Un plan d’expériences a été employé pour corréler les différents paramètres de projection influençant les contraintes résiduelles trouvées dans les recouvrements. Les résultats de toutes les interactions ont révélé que le facteur ayant le plus d’impact sur les contraintes résiduelles des revêtements est la distance de projection, suivi d’une interaction de deux facteurs (débits de O2, H2) .

Influence des principaux paramètres en projection thermique HVOF

Dans la projection thermique HVOF, il y a de nombreux paramètres affectant la microstructure et les propriétés des revêtements. Cela concerne les propriétés du substrat, la préparation de surface, les propriétés des matériaux de projection, les caractéristiques de la source de chaleur, les conditions d’opération de la torche de projection, et ainsi de suite. Les principaux paramètres du procédé HVOF, contrôlables par l’opérateur, ainsi que les caractéristiques inhérentes à l’état des particules de poudre dans la flamme supersonique (vitesse et température) . Ils consistent en les paramètres de la torche, le débit de matières premières, les propriétés des particules pendant le vol, la distance de projection, l’angle de projection et la température du substrat.

Paramètres de la torche

La torche est l’endroit où se mélangent les gaz avec la poudre alimentée et la combustion se produit. Le principal composant de la torche est la buse. Cette dernière se détériore après chaque utilisation et un arrangement est nécessaire après 16 heures de projection. Un surdimensionnement de la buse peut produire de chutes de pression des gaz ce qui causerait une réduction dans la vitesse des particules affectant la qualité des revêtements. La buse ainsi que les autres composants de la torche (la chambre de combustion et la tête de combustion) doivent être remplacés par des composants nouveaux après 60 heures d’utilisation.

Débit de matières premières (Feedstock Spray Rate)

Le débit de matières premières (poudre), dans les différents procédés de projection thermique HVOF, établit le taux de déposition d’un revêtement lors du balayage avec le fusil sur les parois du substrat. Si quelques changements du débit de matières premières se présentent pendant la projection, l’épaisseur du revêtement sera inégale et les propriétés du revêtement peuvent varier considérablement. Le débit de matières premières doit être équilibré en concordance avec la source d’énergie d’entrée (flamme) afin de stabiliser la vitesse et température des particules sortantes du fusil. Un débit trop faible entraînera des vitesses des particules trop bases ce qui réduirait la densité des revêtements de type WC-10Co-4Cr ainsi que les contraintes résiduelles résultantes. À l’inverse, un débit trop important entraînera des températures des particules trop élevées ce qui induira de défauts microstructurales dans les revêtements. (Davis, 2004).

Méthodes de fabrication et caractérisation de poudres en projection thermique

Séchage par atomisation (Spray Drying)

Le procédé «Spray Drying» est une de méthodes le plus utilisé pour la fabrication de poudres de type WC-10Co-4Cr, car il permet d’obtenir des poudres de morphologie généralement sphérique. Le procédé consiste à atomiser (réduire en très fines gouttelettes) une suspension (liquide de départ) contenant des particules du matériau, d’un liant organique et d’un solvant (par exemple de l’eau) pour former des fines gouttelettes. Ces gouttelettes sont séchées dans une chambre de séchage. L’eau est évaporée à l’aide d’un courant de gaz chaud et sec (par exemple l’air). Des particules solides sont récupérées à la sortie de la chambre de séchage et séparées de l’air humide en utilisant une unité de séparation gaz-solide (centrifugeuse). Par la suite, les particules solides sont recueillies dans un collecteur de poudre.

Fusion suivie par écrasement (Sintered & Crushed)

Le procédé de fusion ou frittage suivi d’un écrasement est aussi utilisé pour la production des poudres de type WC-10Co-4Cr. Il consiste à placer le matériau (mélangé et fritté préalablement) dans un récipient en rotation contenant des billes dures qui permettent la fracturation du matériau en petites particules (poudre). Un tamisage permet d’obtenir la granulométrie souhaitée. La forme des particules de poudre obtenues à partir de ce procédé est irrégulière mais sous forme de blocs, ce qui diminue la capacité à l’écoulement de la poudre. Pour augmenter cette dernière, les poudres peuvent être soumises à un processus de sphéroïdisation. Généralement, les poudres produites par fusion suivie d’un écrasement contiennent un niveau important de porosité interne dans les particules.

Caractérisation de la vitesse et température des particules en utilisant la poudre de référence (poudre A)

Avant de procéder aux premiers essais de projection avec les poudres, il a été important de caractériser le procédé actuellement utilisé afin de mieux comprendre le comportement des particules de poudre du point de vue de la vitesse et la température durant leur trajectoire vers la surface du substrat à recouvrir.

En utilisant la poudre de référence (poudre A), des valeurs de vitesse et de température qui correspondent aux tests de qualification hebdomadaires du procédé HVOF ont été collectées durant une période d’un an. Ceci, dans le but d’observer la variabilité de ces deux paramètres inhérents aux particules et de déterminer de possibles effets sur les propriétés des revêtements produits pour des pièces de production. Des exemples de quelques propriétés de revêtements obtenus avec différentes valeurs de vitesse et température ont été évalués pour vérifier la qualité et la conformité des revêtements. Les données de vitesse et température de particules en vol ont été mesurées à l’aide d’un dispositif (le AccuraSpray-G3C) qui a été fixé perpendiculairement au jet des particules.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE 
1.1 Introduction à la projection thermique 
1.1.1 Procédé de projection thermique HVOF (High-Velocity-Oxygen-Fuel)
1.1.2 Systèmes de projection HVOF
1.1.2.1 Système de projection thermique HVOF-JET KOTE® III
1.2 Influence des principaux paramètres en projection thermique HVOF 
1.2.1 Paramètres de la torche
1.2.2 Débit de matières premières (Feedstock Spray Rate)
1.2.3 Propriétés inhérentes aux particules pendant la projection thermique HVOF
1.2.3.1 Vitesse de particules
1.2.3.2 Température de particules
1.2.4 Distance de projection
1.2.5 Angle de projection
1.2.6 Température du Substrat
1.3 Méthodes de fabrication et caractérisation de poudres en projection thermique 
1.3.1 Séchage par atomisation (Spray Drying)
1.3.2 Fusion suivie par écrasement (Sintered & Crushed)
1.3.3 Méthodes de caractérisation des poudres
1.3.3.1 Distribution granulométrique
1.3.3.2 Densité apparente
1.3.3.3 Coulabilité
1.3.3.4 Morphologie
1.3.3.5 Composition des phases
1.4 Revêtements de type WC-10Co-4Cr 
1.4.1 Principales propriétés de caractérisation des revêtements de WC-10Co-4Cr
1.4.1.1 Adhésion
1.4.1.2 Microscopie optique
1.4.1.3 Microscopie électronique
1.4.1.4 Dureté
1.4.1.5 Contraintes résiduelles
1.4.1.6 Rugosité
CHAPITRE 2 DÉMARCHE EXPÉRIMENTALE 
2.1 Système de projection thermique HVOF utilisé 
2.1.1 Caractérisation du procédé HVOF-JET KOTE ® III
2.1.1.1 Caractérisation de la vitesse et température des particules en utilisant la poudre de référence (poudre A)
2.2 Élaboration des revêtements
2.2.1 Substrats employés
2.2.2 Description des éléments du montage pour la réalisation des revêtements de type WC-10Co-4Cr
2.2.2.1 Porte échantillon cylindrique
2.2.2.2 Pyromètre infrarouge modèle Raytek
2.2.2.3 Plaque d’aire comprimé
2.2.2.4 Dispositif : AccuraSpray-G3C par TECNAR®
2.3 Présentation des poudres alternatives de type WC-10%Co-4%Cr utilisées dans ce projet 
2.3.1 Analyses de caractérisation des poudres
2.3.1.1 Analyse granulométrique
2.3.1.2 Analyse de densité apparente et coulabilité
2.3.1.3 Analyse morphologique et calcul du pourcentage de porosité interne des particules
2.3.1.4 Analyse de composition de phases de poudres
2.4 Première projection – projection des poudres avec les paramètres de référence
2.4.1 Critères d’acceptation des revêtements de type WC-10Co-4Cr en aéronautique
2.4.1.1 Épaisseur
2.4.1.2 Adhésion -Test de pliage
2.4.1.3 Microstructure
2.4.1.4 Microdureté
2.4.1.5 Déflection Almen
2.4.1.6 Rugosité
2.5 Deuxième projection –projection en variant la distance de projection 
2.5.1 Caractérisation des revêtements
2.5.1.1 Caractérisation des revêtements sélectionnées par microscopie électronique
2.5.1.2 Caractérisation des revêtements sélectionnées par diffraction de rayons X
CHAPITRE 3 CARACTÉRISATION DES REVÊTEMENTS DE TYPE WC-10Co-4Cr OBTENUS À PARTIR DES POUDRES ÉTUDIÉES 
3.1 Résultats de la caractérisation du procédé HVOF- JET KOTE® III 
3.1.1 Vitesse et température des particules
3.1.2 Influence de la vitesse et la température des particules sur les propretés des revêtements
3.2 Résultats de la caractérisation des poudres étudiées 
3.2.1 Granulométrie de poudres
3.2.2 Densité apparente
3.3 Résultats de la projection thermique avec les paramètres de référence 
3.3.1 Vitesse et température des particules des cinq poudres étudiées
3.3.2 Résultats des propriétés des revêtements obtenus à partir des poudres étudiées
3.3.2.1 Épaisseurs obtenues et taux de déposition
3.3.2.2 Microstructures
3.3.2.3 Adhésion
3.3.2.4 Dureté
3.3.2.5 Contraintes résiduelles obtenues par la méthode de déflection Almen
3.3.2.6 Rugosité
3.4 Discussion 
CHAPITRE 4 CARACTÉRISATION DES REVÊTEMENTS À PARTIR DES POUDRES SELECTIONNÉES ET VARIATION DE LA DISTANCE DE PROJECTION 
4.1 Caractérisation des poudres sélectionnées 
4.1.1 Morphologie des poudres sélectionnées
4.1.2 Microstructure
4.1.2.1 Calcul du pourcentage de porosité interne des particules par la méthode d’analyse d’images
4.1.3 Aptitude à l’écoulement
4.1.4 Diffraction des rayons X des poudres sélectionnées
4.2 Propriétés des revêtements obtenus à partir des poudres sélectionnées en fonction de la distance de projection 
4.2.1 Effet sur la vitesse et température des particules
4.2.2 Effet sur la température du substrat
4.2.3 Effet sur les épaisseurs et taux de déposition
4.2.4 Effet sur la microstructure
4.2.5 Effet sur l’adhésion
4.2.6 Effet sur la dureté
4.2.7 Effet sur les contraintes résiduelles mesurées par la méthode de déflection Almen
4.2.8 Effet sur la rugosité
4.3 Caractérisation des revêtements 
4.3.1 Microscopie électronique
4.3.2 Composition de phases des revêtements
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS

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