Technique de projection par cold spray

Technique de projection par cold spray

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. La Figure I.1 situe 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.

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 .

Construction et microstructure caractéristique d’un revêtement 

Un revêtement cold spray est composé généralement de l’empilement des splats sur un substrat dont les compositions peuvent être variées. Les poudres et les substrats les plus largement employées sont généralement métalliques. Les poudres sont composées de matériaux simples, légers et déformables comme l’aluminium, le cuivre, le nickel, l’acier ou le titane .

La projection par cold spray est aussi applicable à des poudres plus atypiques et plus dures et touche désormais des métaux préalliés, des verres métalliques, mais également des céramiques. On voit également émerger des études de métallisation de substrat en polymère [GIR14] ou, plus délicat, de projection de poudres polymères.

Porosité

Bien que les matériaux créés en cold spray soient dits denses relativement aux autres procédés de projection thermique ou de métallurgie des poudres, il peut demeurer un certain taux de porosité. La porosité peut être désirée ou non selon les fonctionnalités attendues du revêtement. Le taux de porosité est influençable par les paramètres de projection et les propriétés de la poudre. La densité des revêtements peut être améliorée par l’augmentation de la pression et de la température du gaz porteur ou par l’utilisation d’un gaz plus léger, par exemple l’hélium au lieu de l’azote [KLA14]. Moridi et al. ont montré, par exemple, que pour une même épaisseur de revêtement d’aluminium Al 6082, une seule passe de buse donnait un revêtement plus dense que si plusieurs passes étaient faites [MOR14]. Spencer et al. pointent l’effet de la granulométrie d’une poudre d’acier 316L sur la densité des revêtements [SPE11]. Ils détaillent que des particules de 20 µm mènent à un revêtement poreux tandis que des particules de 5 µm mènent à un matériau dense mais entraînent des problèmes de bouchage de buse. Un mélange équilibré de particules de différentes tailles est donc favorable à une bonne densité de revêtement sans pâtir de bouchage de buse et d’alimentation irrégulière en poudre. La mesure précise de la porosité demeure un problème. Elle est usuellement réalisée par analyse d’images en 2D de coupes de revêtement. Dans ce cas, la préparation peut amplifier la valeur mesurée par arrachement de matière, ou la réduire par effet de beurrage [ROL10]. De plus, on peut se poser la question de la représentativité du résultat de l’analyse d’une image que l’on tente de pallier par la mesure sur un grand nombre de clichés. Pour pallier ces problèmes d’analyse 2D, une analyse 3D par microtomographie est possible avec une résolution généralement située autour de 1 µm . Afin de réduire le taux de porosité, Koivuluoto propose la fabrication d’un matériau composite [KOI10]. Grâce à l’ajout de particules de renfort dures dans la matrice, le revêtement est densifié .

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
4.3. 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
CONCLUSION GENERALE

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