Développement de nouvelles torches plasma dites à cascade

La technologie de projection thermique permet la production de revêtements sur des surfaces ou des pièces techniques. Métaux, céramiques, polymères ou autres alliages et composites, une gamme très variée de matériaux peut être appliquée pour donner à la pièce (substrat) une propriété fonctionnelle que le matériau de base ne possède pas. Il peut s’agir de protection contre l’usure ou la corrosion, d’isolation thermique ou électrique, de biocompatibilité ou d’action virucide. Ainsi, la plupart des secteurs industriels tels que le transport, l’énergie, le biomédical, l’électronique, etc. sont concernés. Par rapport aux autres procédés (PVD, CVD, voie humide, etc.), la projection thermique permet des taux de dépôt élevés et s’adapte à la forme/taille des pièces à traiter. Tout procédé de projection thermique consiste à faire fondre (énergie thermique), accélérer (énergie cinétique) et projeter (énergie mécanique) un matériau sous forme de poudre à grande vitesse sur une pièce à revêtir. Dans la source de chaleur, des gouttelettes du matériau se forment. A l’impact, les particules s’étalent sous forme de lamelles et se solidifient à des vitesses de trempe très élevées. Elles forment un dépôt par empilement successif de ces lamelles.

Parmi les différents procédés de projection thermique (flamme, plasma ou arc électrique), la technologie plasma est l’une des plus utilisées dans l’industrie. La gamme de matériaux pouvant être projetés est très large, y compris les céramiques ou les métaux à haut point de fusion. C’est une technique très flexible et efficace pour s’adapter aux environnements industriels préexistants. Avec un faible encombrement, le procédé génère un jet de plasma de quelques centimètres, qui est facilement manipulé sur un bras robotisé pour traiter des pièces de grand volume. En outre, le procédé peut être considéré comme relativement modéré en termes de coût par rapport à d’autres techniques de traitement de surface mais il est également plus respectueux de l’environnement par rapport à la voie humide.

Le principe de cette technologie est de créer un plasma à haute énergie capable de faire fondre le matériau. Le plasma est créé dans une chambre à l’intérieur d’une torche formée d’une cathode et d’une anode dans laquelle est injecté un mélange de gaz plasmagènes (argon, hydrogène, hélium, etc.). Le gaz froid qui traverse la chambre est ionisé par l’arc électrique et forme un plasma. Les régions les plus chaudes du plasma à la sortie de l’anode peuvent atteindre 15 000 K, et une vitesse de l’ordre de 2000 m/s. Un jet plasma est constitué d’une colonne d’arc principale, fixée à l’extrémité de la pointe de la cathode qui est la source des électrons, et d’une colonne qui se termine à un pied d’arc sur la surface interne de l’anode. Ainsi, quel que soit le procédé de projection plasma, l’outil de base est la torche qui produit le jet  plasma. La conception géométrique d’une torche à plasma classique consiste donc en une cathode et une anode. La cathode est généralement une pointe de tungstène de forme conique et est associée à une anode de cuivre tubulaire creuse qui lui est concentrique. Depuis de nombreuses années, cette géométrie de torche à plasma à deux électrodes (c’est-à-dire le type PTF4) est privilégiée dans l’industrie. Néanmoins, elle est caractérisée par des phénomènes aléatoires et souvent instables. Les causes sont nombreuses comme l’instabilité de l’arc électrique dans la buse dépendant notamment de l’usure de l’anode et du mélange gazeux formant le plasma.

Si l’on se concentre sur l’une des instabilités les plus problématiques de cette technique, on remarque que le pied d’arc se déplace en permanence sur la surface de l’anode dans un mouvement de va-et-vient. Une phase d’allongement de l’arc en aval de l’anode est interrompue par une rupture de l’arc qui réapparaît en amont ou en aval du pied d’arc précédent. Ensuite, l’attache de l’arc est soumise à un déplacement aléatoire au niveau de la paroi de l’anode. Il est clairement prouvé aujourd’hui que les interactions arc-électrode créent des problèmes particuliers dans le développement des dispositifs à plasma d’arc. Ces variations de longueur d’arc induisent une variation très importante de la tension de fonctionnement de la torche réduisant la qualité des revêtements. L’utilisation de gaz secondaires diatomiques comme l’hydrogène augmente l’intensité de ces fluctuations de tension, ce qui entraîne inévitablement des variations dans le traitement thermique des particules, influençant finalement la qualité du revêtement.

L’instabilité du jet peut être observée par différents moyens :

• déviation et dispersion des trajectoires des particules dues à la variation de la quantité de mouvement du jet ;
• élargissement des distributions locales de vitesse et de température des particules. En effet, la variation continue de l’enthalpie fournie au gaz entraîne des fluctuations des dimensions du jet et de ses caractéristiques (vitesse, température, composition) ;
• caméra à grande vitesse.

Les fluctuations du pied d’arc sont causées par les fluctuations de la tension de l’arc aux bornes des électrodes. Ainsi, pour contrôler précisément les variations de cette tension d’arc, il faudrait essayer de réduire fortement, voire d’éliminer ces fluctuations, mais cela n’est pas possible car c’est inhérent au fonctionnement de la torche à plasma. Il est donc nécessaire de trouver une autre solution pour optimiser ce procédé de projection.

C’est pourquoi de nouvelles générations de torches plasma sont apparues ces dernières années. Les développements se sont concentrés sur l’augmentation de la tension d’arc la plus élevée possible afin de permettre des niveaux de puissance élevés tout en maintenant le courant d’arc le plus faible possible. Ces nouvelles torches dites à cascades ou segmentées sont caractérisées par un déplacement réduit de l’arc dû à la présence de neutrodes entre la cathode et l’anode. Ces torches utilisent une anode segmentée à cascades constituée d’un empilement d’anneaux de cuivre isolés les uns des autres (les « neutrodes ») et délimitée par un anneau sur lequel est fixé l’arc. Cette conception permet également de stabiliser l’arc puisque le mouvement de l’arc est limité à l’anneau de l’anode. Une autre voie explorée est la possibilité de contrôler le mouvement de l’arc, notamment par l’application d’un champ magnétique externe à la torche.
La grande longueur de l’arc permet d’obtenir une tension plus élevée et surtout plus stable. De plus, cette nouvelle géométrie permet au plasma d’exister plus près de la sortie de la buse (anode) ce qui améliore l’efficacité de la torche (moins de perte de chaleur lors du refroidissement) et augmente la quantité d’énergie disponible pour traiter les particules. La reproductibilité des revêtements est alors améliorée. Des courants et des débits de gaz secondaire plus faibles sont alors utilisés pour fondre les matériaux et produire des revêtements. Une possible plus faible usure des électrodes et donc un coût d’utilisation réduit est un avantage qui semble se dessiner. Ces nouvelles propriétés de l’arc et la configuration de la torche à plasma ouvrent même la voie à l’utilisation de matériaux inhabituels au procédé plasma tels que les carbures. Ceux-ci se décomposent en raison de la température élevée du plasma avec les torches F4MB classiques et les procédés HVOF/HVAF sont alors préférés. Cela ouvre la porte à une possible augmentation de la gamme de matériaux pour le plasma.

Cependant, la caractérisation de ces torches en cascade est encore très empirique, notamment en ce qui concerne la configuration des neutrodes. L’équipe PMDM LERMPS de l’ICB réalise actuellement l’étude de ces torches au travers de partenariats industriels et académiques pour tirer profit des ses propriétés prometteuses. Notamment avec la société Gulhfi AG, des torches modulaires avec différents types de conceptions (longueurs de cascades) sont analysées en termes de puissance, fluctuations, propriétés des particules en vol et des revêtements.