Projection thermique

La projection thermique fait partie des techniques de traitement de surface par voie sèche. Cette technique permet de réaliser des revêtements épais (généralement de quelques dizaines de micromètres à quelques centaines) de natures très variées sur des substrats (pièce à revêtir) tout aussi variés.

Sommaire

Principe de base

Schéma de principe de la projection thermique

Tous les systèmes de projection thermique possèdent un gaz vecteur servant à accélérer et transporter jusqu'au substrat de fines particules (typiquement 5 à 100 micromètres) qui peuvent être à l'état liquide, pâteux voir solide. Ce gaz vecteur peut être aussi source enthalpique, permettant de chauffer ces particules jusqu'au point de fusion. D'autres procédés utilisent un arc électrique pour fondre le matériau.

Les particules ainsi projetées sur le substrat s'écrasent selon leur vitesse, état physique, température etc. L'accumulation des particules sur le substrat permet de réaliser le revêtement.

Principaux types de projection thermique

Il existe de nombreuses manières de réaliser la projection thermique mais les plus couramment utilisées dans l'industrie sont la projection par chalumeau, par arc fil, par flamme supersonique et par plasma d'arc soufflé[1].

Flamme simple

Ce procédé utilise la combustion d'un gaz pour projeter le matériau d'apport sur le substrat. En général, on utilise un chalumeau. Cette technique est très simple et très répandue dans l'industrie, mais elle est limitée en température et en vitesse de projection. Il est possible de projeter indifféremment le matériau sous forme de poudre ou de fil.

HVOF ou Flamme supersonique

Le système HVOF (High Velocity Oxy-Fuel ou Projection par Flamme Supersonique) est une amélioration de la projection au chalumeau. Elle utilise le principe des moteurs fusée pour créer une flamme avec une vitesse d'éjection des gaz très importante.

Plasma d'arc soufflé

Les torches à plasma d'arc soufflé utilisent le confinement d'un arc électrique pour augmenter fortement sa température (normalement env. 4000°K, ici entre 12000 et 20000°K) de façon à générer un plasma à partir d'un gaz plasmagène. Ce plasma sert ensuite à fondre et à accélérer le matériau à projeter.

Trois milieux de projection sont utilisés suivant les caractéristiques souhaitées du revêtement :

  • dans l'air sous pression atmosphérique (APS, Atmosphérique Plasma Spraying). Le plus courant.
  • dans un gaz neutre (souvent l'argon) à la pression atmosphérique (IPS, Inert Gas Plasma Spraying). Permet de projeter des matériaux fortement oxydant et augmente la température de l'écoulement.
  • dans un gaz neutre à faible pression (100 mbar) (LPPS, Low Pressure Plasma Spraying). Augmentation de la vitesse de projection et donc de la densité et de l'adhérence du dépôt tout en évitant l'oxydation du matériau d'apport et du substrat.
Article détaillé : Hexa-plasma.

Arc fil

Utilise un gaz vecteur froid (typiquement l'air) et une source de courant créant un arc électrique (environ 6000°K) entre 2 fils de la matière à apporter (qui doit donc être conducteur). La matière ainsi fondue est atomisée par le gaz vecteur. Le fil est entraîné régulièrement afin d'obtenir un arc aussi continu que possible. Cette technique est la plus ancienne, celle qui donne la plus grande productivité et au coût le plus faible.

Projection à froid (cold spray)

Cette technique est très récente. Elle consiste à accélérer au-delà d'une vitesse critique le matériau sous forme de poudre pour obtenir une déformation suffisante à l'impact sur le substrat afin d'obtenir la formation d'un revêtement, la matière avant impact n'est pas fondue. Comme son nom l'indique, il n'y a pas de combustion des gaz de projection. Donc, les températures de projection sont très faibles en comparaison des autres types de projections.

Canon à détonation

Contrairement aux procédés à flamme, le procédé n'utilise pas une combustion diffusante et continue, mais se sert de la détonation comme source de chaleur et vecteur de transport de la poudre. Il en résulte une forte accélération (env. 600 m/s) et une température élevée (env. 3 000 °C) des particules. C'est un procédé discontinu, il fonctionne à quelques hertz. Sous brevet il n'est exploité que par la société Praxair.

Article détaillé : Flame-plating.

Matériaux d'apport

Un très grand nombre de matériaux sont utilisables avec l'ensemble des techniques ou avec une en particulier en forme de poudres, fils ou cordons. Tous matériaux peuvent être projetés. Cependant, les matériaux qui fondent en se décomposant tels que l'hydroxyapatite ou YBCO ou ceux qui n'ont pas point de fusion, tel que graphite doivent être préparés avec plus de précautions. Soit par l'optimisation de paramètres de la projection (hydroxyapatite partiellement fondu), soit par une préparation de poudres avec les particules enrobé (graphite enrobé par nickel). Plusieurs matières organiques peuvent être projetés par les torches appropriées. Les métaux et les céramiques sont traditionnellement fréquemment employés, ils peuvent aussi être utilisés en de composites pour modifier les propriétés du revêtement. Par exemple, les composites de carbures WC avec Co ou Ni sont très souvent projetés. La particularité du WCCo est une forte augmentation de la dureté de la pièce de l'ordre de 900 à 1000 HV 0.3

Substrats

Toutes sortes de substrats peuvent être utilisés mais des incompatibilités existent avec certaines techniques (fragilité, sensibilité thermique, forme trop complexe ou inaccessible) ou avec le matériau d'apport (problème de mouillabilité, adhérence, dilatation différentielle)

Quelques applications typiques

Les domaines applicatifs sont très larges, du simple zingage pour les infrastructures métalliques (ponts), aux applications de plus haute technologie comme dans les moteur à réaction d'avion avec la popularisation des abradables (matériaux très friables permettant à chaud de réduire les fuites par l'adaptation des dimensions lors de la mise en service). Ainsi on pourra noter son utilisation en électrotechnique, dans le médical (prothèses), les turbines à gaz, l'automobile (molybdénage des bagues de synchronisation entre autres), le nucléaire etc.

Références

  • Lech Pawlowski, The Science and Engineering of Thermal Spray Coatings, Wiley, 1st edition, Chichester, England, 1995.
  • Lech Pawlowski, Dépôts Physiques: Techniques, microstructures et propriétés, Presses Polytechniques et Universitaires Romandes, Lausanne, Suisse, 2003.
  • Lech Pawlowski, The Science and Engineering of Thermal Spray Coatings, Wiley, 2nd edition, Chichester, England, 2008.

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