Soutenance de thèse – Libin Koithara – 16/12/2020
Soutenance de thèse – Libin Koithara – 16/12/2020
Caractérisation et prédiction du rendement de projection lors du procédé de projection à froid – cas de la métallisation des polymères
14 h 00
Résumé :
Ce travail de thèse porte la métallisation de substrat polymère par projection à froid en visant un rendement de dépôt optimal supérieur à 90% à l’aide d’une approche combinant analyse expérimentale et simulation numérique. Les observations expérimentales du jet de poudre à l’aide d’un système ombroscopique dynamique ont permis de comprendre le comportement des écoulements pour différentes natures de poudres. La comparaison des poudres a révélé un comportement générique constitué d’une zone confinée uniforme (zone stable) en sortie immédiate de la buse suivi d’une zone dispersée. Le flux supersonique en sortie de la buse étant essentiellement axial, les particules sont alors entraînées suivant l’axe, se traduit ainsi par un flux de jet uniforme. Ensuite, au-delà d’une certaine distance, une dispersion apparaît révélant une transition entre un jet uniforme axial et un jet dispersé radialement. Cette distance est très importante car elle caractérise le comportement des particules en fonction de leur nature et peut altérer les conditions d’élaboration des revêtements. En effet, la déviation de la trajectoire des particules à cause de la dispersion peut conduire à des collisions obliques sur la surface du substrat et entraîner une diminution du rendement de projection (DE) à cause de la réduction de la composante normale de la vitesse de collision des particules. Il a été clairement observé que la distance critique est influencée par la combinaison de la densité et du diamètre de la particule (ρpDp) mais il n’y a pas de tendance généralisable lorsqu’on étend l’étude sur une large variance de ρpDp ainsi qu’une large plage granulométrique.
Une approche de type simulation directe a permis de mieux comprendre le comportement phénoménologique diphasique fluide/particules à l’intérieur et à l’extérieur de la buse. Il y a une perturbation de l’écoulement avec un fort impact sur la cinématique des particules. En sortie de buse le cisaillement de l’air environnant par le jet supersonique crée des tourbillons auto-entretenus qui génèrent dans le temps une oscillation des propriétés locales du fluide. Cette turbulence est répétitive et produit une série de vortex dans les parties supérieure et inférieure de l’écoulement. Ce comportement phénoménologique gouverne la cinématique des particules. La force de traînée exercée par le fluide n’est pas à l’origine de la déviation radiale significative de la trajectoire des poudres. Du point de vue phénoménologique, c’est la considération d’un effet Magnus qui permet de reproduire qualitativement et aussi quantitativement la dispersion expérimentale. Le diamètre simulé du jet de poudre correspond relativement bien au diamètre expérimental et corrobore en cela le rôle de l’effet Magnus. Les poudres de tailles fines sont moins sensibles à cet effet. Cette réduction d’effet Magnus imputable à la taille de la poudre mérite toutefois une analyse plus approfondie. Néanmoins la compréhension de cette phénoménologie cinématique des poudres en projection à froid a permis d’expliquer la limitation du rendement de projection à basse pression et de montrer la nécessité de travailler à des pressions élevées pour permettre une croissance optimale du revêtement.
La métallisation du PEEK à haute pression a été d’abord été entreprise avec les conditions opératoires qui évite la détérioration du substrat. Les paramètres de projection ont été ensuite ajustés pour passer d’un rendement de 70% à seuil maximal de 91%. L’ajustement des paramètres consiste à réduire les phénomènes d’érosion ou de délaminage. Un manque de vitesse favorise l’érosion et une vitesse trop importante provoque un écaillage car l’adhésion du revêtement sur le substrat est constituée d’une couche de poudres peu déformée. La couche de liaison interfaciale présente alors des mauvaises cohésions qui rompent facilement sous la contrainte générée par la collision continue des poudres. Les essais d’adhésion indiquent une adhérence interfaciale de l’ordre de 8MPa ce qui médiocre comparativement aux niveaux d’adhérence classique d’un revêtement métallique sur un substrat métallique de même nature. Suivant les meilleures conditions d’élaboration, des taux de porosité inférieurs à 0,27 ± 0,179% et d’oxydes de 2,21 ± 1,150% ont été obtenus. Les mesures de conductivité électrique ont alors montré des dépôts relativement bons conducteurs électriques avec un IACS rapporté à 62,3%. Si l’obtention d’un rendement supérieur à 90% est dorénavant possible avec une projection à froid à haute pression, la problématique de mauvaise adhérence interfaciale est facteur limitant qui conduit à de nouvelles perspectives d’amélioration de la métallisation des substrats polymères.