Soutenance mémoire
Dans les années 1980, l’équipe de Papyrin à l’Institut de Mécanique Théorique et Appliquée de l’Académie des Sciences Russes de Novosibirsk fait une découverte imprévue dans le domaine de l’aérodynamique. Lors d’une étude dans l’aérospatiale sur l’influence de particules sur la structure d’un flux biphasé et leur interaction avec un corps, l’équipe observe un phénomène inattendu : les particules adhèrent à la surface du corps soumis au flux. C’est ainsi que l’on attribue à Papyrin la découverte du cold spray [PAP07].
Situation du cold spray dans la projection thermique
Les procédés de revêtement de surface par ajout de matière sont applicables par la voie humide comprenant les peintures, l’immersion en métal fondu, les dépôts chimiques ou électrolytiques, ou par la voie sèche qui englobe le rechargement par soudage, l’implantation ionique, la PVD (Physical Vapor Deposition), la CVD (Chemical Vapor Deposition) ou encore la projection thermique. C’est à cette dernière catégorie qu’appartient le procédé cold spray, au même titre que la projection par flamme, arc électrique, plasma, canon à détonation, HVOF (High Velocity Oxy-Fuel), …
La projection thermique permet de réaliser des dépôts principalement métalliques, variant de quelques microns jusqu’à plusieurs centimètres en partant d’un matériau initial sous forme de poudre micrométrique. Dans le cas d’approvisionnement d’un matériau initial par poudre, la projection thermique joue sur deux phénomènes : la vitesse et la température des particules projetées. le cold spray par rapport aux autres procédés de projection thermique au regard de la vitesse des particules en fonction de la température du gaz porteur. Comparé aux autres procédés, le cold spray se situe dans :
– de hauts rendements de dépôts (>70%),
– de hautes densités de dépôts (>95%),
– une large gamme de vitesses des particules (entre 300 m/s et 1200 m/s),
– de faibles températures (<1000°C).
La faible température du procédé n’entraîne pas la fusion des particules projetées qui restent à l’état solide. Cela présente de nombreux avantages comme éviter la formation:
– d’intermétalliques fragiles,
– d’oxydes,
– d’une zone affectée thermiquement génératrice de défauts liés à la température et empêche la projection sur des substrats métalliques sensibles voire des polymères.
Le domaine de l’ingénierie des surfaces faisant face à une variation des contraintes considérable selon les conditions de service des pièces en fonction et de la spécificité des applications, ces qualités placent les dépôts cold spray en bonne posture pour viser de hautes propriétés thermiques, mécaniques, chimiques ou tribologiques.
Préparation de surface
Les surfaces revêtues sont souvent préparées au préalable pour favoriser l’adhérence de la couche. La préparation de surface comprend :
– l’action de nettoyage, généralement le dégraissage à l’aide d’un solvant,
– l’activation de surface, par exemple par traitement par plasma,
– la structuration entraînant un changement de structure superficielle qui est généralement couplée avec une action d’activation de la pièce à revêtir. Celle-ci peut créer un motif de rugosité aléatoire comme par sablage, ou régulier comme avec un laser.
En cold spray, le sablage est la préparation la plus fréquente car simple à mettre en œuvre mais plusieurs auteurs rapportent qu’elle peut avoir un effet néfaste sur l’adhérence du revêtement. Hussain l’a constaté pour la projection de cuivre sur aluminium [HUS08], Yin pour du nickel sur de l’aluminium [YIN15], Marrocco pour du titane sur TA6V [MAR06] et Wu pour un composite aluminium et silicium sur acier [WU06]. Elle n’est pas systématique et le substrat est parfois laissé brut selon son état de surface initial. Dans notre étude, la surface du substrat est surfacée par fraisage puis nettoyée à l’éthanol pour dégraissage.
Description du fonctionnement
La tête du pistolet de projection est alimentée en poudre. Celle-ci est emportée par un gaz, préalablement chauffé et comprimé, vers une tuyère de type convergent-divergent dite de Laval afin d’être accélérée à des vitesses supersoniques (de 600 m/s à 1200 m/s) vers un substrat. Le gaz porteur (ou gaz principal) peut être de l’air, mais un gaz neutre est plus généralement employé pour éviter l’oxydation ainsi qu’augmenter la vitesse des particules. On utilise le plus souvent de l’azote mais aussi de l’hélium qui est un gaz plus léger et permet de conférer aux particules de poudre de plus grandes vitesses sans augmenter la pression du gaz porteur.
Le procédé cold spray se fonde sur la transformation de l’énergie cinétique des particules en déformation plastique et en énergie thermique lors de son impact avec le substrat [VAN99]. Lorsqu’une particule projetée atteint une vitesse optimale dite vitesse critique, elle peut adhérer à la surface par des phénomènes complexes impliquant de grandes déformations et ainsi créer, par accumulation de couches successives, un revêtement. En deçà ou au-delà de cette vitesse critique, il y a rebond de la particule, ce qui peut conduire à l’érosion du substrat . Schmidt et al. ont simulé numériquement cette plage de vitesse critique pour différents métaux [SCH06].
Influence des paramètres
L’adhérence d’une particule au substrat au moment de l’impact dépend de l’atteinte ou non d’une gamme de vitesses dites critiques. La vitesse des particules est donc un paramètre essentiel dans la projection par cold spray [ASS03]. De nombreux auteurs insistent sur son importance. Au-delà de l’adhérence ou de la non-adhérence de la particule au substrat dans cette plage de vitesses critiques, la vitesse influe sur la valeur de la force d’adhérence et la création d’un revêtement plus ou moins dense [CHR10]. Cette vitesse dépend directement des conditions de projection. On peut y intégrer:
– les paramètres de la machine (type de buse, distance de la buse au substrat, vitesse de déplacement, angle de projection),
– les caractéristiques du gaz porteur (nature, pression, température),
– les caractéristiques des particules (composition chimique, densité, taille, forme).
Microstructure cold spray
Lors de la projection, l’énergie cinétique des particules de poudre projetées se transforme et se dissipe sous différentes formes : énergie de déformation élastique, plastique et viscoplastique, écrouissage et énergie thermique principalement. Cela entraîne des phénomènes visibles à l’échelle globale de la particule jusqu’à l’échelle locale de sa structure. Dans cette partie, on s’intéresse aux phénomènes macroscopiques de déformation des particules, à la nature des poudres ainsi qu’à la morphologie générale des revêtements.
Déformation des particules
Sous l’effet de l’impact, les particules de poudres arrivées à la surface du substrat subissent de fortes déformations plastiques et s’aplatissent en « splats ». La morphologie et la structure sont fonction de leurs caractéristiques (dureté, granulométrie, …) et des conditions de projection. Yin et al. indiquent que la déformation des particules est influencée par la dureté du substrat ou plus précisément celle de la surface les recevant, celle-ci pouvant être une autre particule [YIN11]. Elle peut s’accompagner de la formation d’un jet de matière combinant l’effet de la température et de la pression à l’interface .
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I ELEMENTS BIBLIOGRAPHIQUES
1.INTRODUCTION
2. TECHNIQUE DE PROJECTION PAR COLD SPRAY
2.1. Situation du cold spray dans la projection thermique
2.2. Préparation de surface
2.3. Description du fonctionnement
2.4. Influence des paramètres
3. MICROSTRUCTURE COLD SPRAY
3.1. Déformation des particules
3.2. Construction et microstructure caractéristique d’un revêtement
3.3. Porosité
3.4. Modes d’élaboration de composites
4.INTERFACES ET PROPRIETES
4.1. Formation des interfaces en cold spray
4.1.1. Définition
4.1.2. Mécanismes aux interfaces
4.2. Caractérisations mécaniques
4.2.1. Mesure de dureté
4.2.2. Essai de traction
4.2.3. Mesure d’adhérence des revêtements
4.3. Propriétés tribologiques
4.3.1. Etudes tribologiques de revêtements cold spray
4.3.2. Endommagement sous impacts répétés
5. CONCLUSION ET ORIENTATION DE LA THESE
CHAPITRE II MATERIAUX ET PROCEDES EXPERIMENTAUX
1.INTRODUCTION
2. PROJECTION DYNAMIQUE PAR COLD SPRAY
3. MATERIAUX ETUDIES
3.1. Substrat
3.2. Etude des poudres
3.2.1. Composition
3.2.2. Etude de la granulométrie
3.2.3. Coulabilité
4. MOYENS DE CARACTERISATION
4.1. Etude de la microstructure
4.1.1. Préparation des échantillons pour observations microscopiques
4.1.2. Microscopie optique
4.1.3. Analyse par diffraction des électrons rétrodiffusés (EBSD)
4.1.4. Microscopie électronique en transmission
4.2. Analyse chimique
4.2.1. Etude de la composition par analyse d’images
4.2.2. Etude de la composition par spectroscopie d’émission plasma (ICP-AES)
4.2.3. Microsonde de Castaing
4.2.4. Diffraction des rayons X
4.3. Essais mécaniques
4.3.1. Essais de dureté macroscopique et nanoindentation
4.3.2. Essai de traction
4.3.3. Essai d’adhérence par plots collés
4.3.4. Essais d’usure par impact-glissement
4.3.5. Caractérisation de l’usure par profilométrie 3D
CHAPITRE III ELABORATION D’UNE MICROSTRUCTURE COLD SPRAY
1.INTRODUCTION
2. CONDITIONS DE PROJECTION
2.1. Paramètres de projection
2.2. Discussion
3. ETUDE DE LA MICROSTRUCTURE DES POUDRES
3.1. Structure générale des poudres
3.2. Répartition des éléments dans les particules de poudre de 316L
3.3. Structure cristallographique de la poudre de 316L
3.4. Synthèse
4. ETUDE DE LA MICROSTRUCTURE DES REVETEMENTS
4.1. Revêtements de 316L
4.1.1. Microstructure
4.1.2. Analyse structurale microscopique et cristallographie
4.1.3. Interfaces interparticulaires dans le revêtement
4.2. Revêtements composites
4.2.1. Morphologie des revêtements composites
4.2.2. Porosité
4.2.3. Analyse de la teneur en éléments d’addition des revêtements composites
4.2.4. Discussion sur la composition et la porosité
4.2.5. Modélisation et simulation du rendement
5. ETUDE DE L’INTERFACE DEPOT-SUBSTRAT
5.1. Microstructures de l’interface
5.2. Etude de l’adhérence par plots collés
5.2.1. Résultats expérimentaux
5.2.2. Analyse des faciès de rupture
5.2.3. Synthèse
6. CONCLUSION
CHAPITRE IV COHESION D’UNE MICROSTRUCTURE COLD SPRAY
1.INTRODUCTION
2. COMPORTEMENT MECANIQUE SOUS SOLLICITATION QUASI STATIQUE
2.1. Etude de dureté
2.1.1. Dureté de la poudre
2.1.2. Dureté des revêtements
2.1.3. Discussion sur la dureté
2.2. Sollicitation des revêtements par essai de traction
2.2.1. Présentation des résultats
2.2.2. Comportement du revêtement 316L
2.2.3. Comportement du revêtement composite acier-cuivre
2.2.4. Comportement du revêtement composite acier-cuivre-Tribaloy700
2.2.5. Synthèse
2.3. Discussion
3. COMPORTEMENT MECANIQUE SOUS SOLLICITATION DYNAMIQUE PAR IMPACT-GLISSEMENT
3.1. Approche phénoménologique
3.1.1. Formation des débris
3.1.2. Déformation plastique
3.2. Comportement en usure
3.2.1. Définition du critère d’usure
3.2.2. Cas de revêtements en acier
3.2.3. Cas de revêtements composites
3.2.4. Synthèse
3.3. Mécanismes d’usure
3.3.1. Cas du revêtement en acier
3.3.2. Cas de revêtements composites
3.4. Discussion
4. CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE
