L’éthanol comme combustible alternatif pour la projection HVOF
La projection flamme à grande vitesse (HVOF), qui consiste à brûler un certain type de combustible gazeux ou liquide avec une grande quantité d’oxygène, est devenue l’un des procédés les plus avancés pour produire des revêtements en cermet ou en alliage à haute performance. Le procédé HVOF peut générer des jets de flamme à des températures modérées à élevées, jusqu’à 3000 °C, mais à des vitesses extrêmement élevées d’environ 2000 m/s. Par conséquent, un flux de particules avec des vitesses de 300 m/s – 800 m/s et des températures typiques dans la gamme de 1700 °C – 2200 °C est formé pendant la projection. Par conséquent, cela rend le procédé HVOF particulièrement adapté à la production de revêtements de cermet à base de carbure. Les particules de cermet exposées au jet de flamme peuvent être chauffées rapidement et uniformément jusqu’à ou près du point de fusion de la matrice. On s’attend généralement à ce que les particules fondent suffisamment sans décomposition substantielle des carbures. Les particules fondues ou semi-fondues sont ensuite projetées sur le substrat cible, ce qui donne un revêtement à faible porosité, une très bonne adhérence et une quantité réduite de produits de réaction nuisibles. Il faut noter que le procédé HVAF permet d’améliorer encore les propriétés.
Au cours du processus de revêtement HVOF, la vitesse et la température des particules en vol et les propriétés correspondantes du revêtement sont affectées non seulement par les propriétés des poudres utilisées mais aussi de manière significative par le procédés de projection et leurs paramètres. Les propriétés de la poudre en termes de composition chimique, de morphologie et de distribution de taille d’une part, et les paramètres de fonctionnement d’autre part, tels que la distance de projection, la débit massique de poudre, l’angle d’incidence, la géométrie du pistolet et la température du substrat, jouent un rôle majeur dans le contrôle de la microstructure qui, à son tour, affecte les propriétés souhaitées des revêtements. Du point de vue de l’optimisation, d’autres facteurs tels que le type de combustible, le débit de combustible et d’oxygène peuvent avoir une importance sur le contrôle des propriétés du revêtement. De nombreuses optimisations ont été réalisées sur les systèmes de projection HVOF, tels que les appareils DJ2700 et JK3500 utilisant du C3H6 ou du C3H8 comme combustible, et le système de projection JP-5000 / 8000 utilisant du kérosène. Les mélanges kérosène-oxygène entraînent une plus grande vitesse et une température plus basse des particules que les mélanges hydrogène-oxygène par exemple. Pour cela, au cours des vingt dernières années, des développements importants dans le diagnostic des procédés ont été réalisés pour surveiller le comportement des particules en ligne. L’un de ces systèmes est le DPV 2000 qui permet de mesurer en vol la vitesse, la température de surface et le diamètre de particules individuelles dans le jet de projection. Ce dispositif est basé sur la détection de l’émission thermique de particules chaudes traversant un espace de mesure.
Les travaux de cette étude ont été réalisé avec une récente torche HVOF à combustible liquide, qui utilise l’éthanol comme combustible. Elle a été développée par la société Flame Spray Technologies aux Pays-Bas. Le choix de l’éthanol comme combustible liquide présente des avantages distincts par rapport au kérosène, comme le fait d’être plus durable sur le plan environnemental (dans le cas du bioéthanol d’origine non fossile) et moins polluant (moins d’émissions de particules de suie). L’évaluation des informations relatives à la vitesse en vol et à la température des particules pendant le dépôt du revêtement permet de mieux comprendre le processus et d’optimiser les paramètres de projection pour obtenir les caractéristiques requises du revêtement. N’ayant peu de références dans la littérature sur le procédé HVOF alimenté à l’éthanol, il semble donc très intéressant d’étudier l’effet des paramètres de projection sur la vitesse et la température des particules en vol et les impacts qui en résultent sur la microstructure et les propriétés mécaniques des revêtements. Il semble également intéressant de s’orienter vers un combustible HVOF alternatif capable de réduire les émissions de combustion, notamment celles de dioxyde de carbone, et de rendre la projection thermique plus « verte ».
L’objectif de cette étude a été d’étudier l’influence de différents rapports oxygène/carburant sur l’évolution de la vitesse et de la température des particules en vol en corrélation avec les propriétés des revêtements WC-CoCr déposés avec le procédé HVOF eGun. Les propriétés des revêtements correspondants ont été étudiées en termes de composition des phases, de microstructure, de niveau de porosité, de microdureté et de résistance à la rupture.
Différentes conclusions ressortent de ce travail :
- par rapport aux mélanges kérosène-oxygène et hydrogène-oxygène, les mélanges éthanol-oxygène entraînent généralement une température plus basse des particules
- le débit d’oxygène affecte la réaction de combustion, mais un excès d’oxygène refroidit la flamme, ce qui diminue la température des particules. De plus, l’augmentation du débit total de gaz augmente la vitesse des particules, réduisant le temps de résidence de la particule dans la flamme, concernant une diminution de la température de la particule
- la porosité a tendance à diminuer avec l’augmentation de la température et de la vitesse des particules. Les résultats indiquent également que la microdureté du revêtement a tendance à augmenter avec l’augmentation de la température des particules. Et la résistance à la rupture du revêtement change dans une certaine mesure de manière opposée à la porosité