Modélisation des procédés

Le laboratoire LERMPS réalise des modélisations dans les différentes étapes intervenants dans le traitement de surface à savoir :

l’optimisation de buses de projection (plasma, cold spray, arc fil, etc.)
la modélisation des propriétés thermiques, cinématiques des écoulements au sein des buses de projections et des particules traitées
la caractérisation numérique de la conductivité thermique des dépôts
la formation des contraintes résiduelles dans les dépôts
la modélisations 3D associées aux sources thermiques mobiles

Optimisation du design de buses (cold spray, plasma, arc fil, etc.)

Le laboratoire s’attache à générer des outils de projection optimisés pour de faibles niveaux de pression.

Au niveau du procédé arc/fil, les outils utilisés présentent généralement des géométries beaucoup plus complexes nécessitants la réalisation d’études tridimensionnelles pour lesquelles la génération d’un maillage structuré est parfois difficile. Si les premiers travaux de modélisation portant sur ce procédé avaient été réalisés dès 1999 à l’aide de PHOENICS (maillage structuré),aujourd’hui l’utilisation de GAMBIT/FLUENT permet des études plus poussées. Le procédé arc/fil de type rotatif (permettant la réalisation de dépôts à l’intérieur de cylindres) est également largement concerné par les activités de modélisation depuis 2003.

: Buse F4 de type Médicoat AG équipée d’un divergent LAVAL pour projection à très faible pression

: Modélisation d’une buse cold spray

: Modélisation d’une buse d’un pistolet arc fil

La modélisation des propriétés thermiques, cinématiques des écoulements/particules

Les modélisations réalisées ont pour objectif d’améliorer la compréhension et la maîtrise des procédés de projection thermique par plasma d’arc soufflé sous air ambiant (procédé APS) ou sous pression résiduelle de gaz neutre (procédé LPPS).
Tout d’abord, un code de calcul permettant la détermination des propriétés thermodynamiques et des coefficients de transport des plasmas thermiques existe au laboratoire depuis 1999 (thèse R. Bolot). Les travaux réalisés pour la modélisation des jets de plasma sont aujourd’hui implémentés dans des codes de calcul (CFD) tels que PHOENICS (CHAM, Wimbledon, UK) et FLUENT (FLUENT inc., Lebanon, USA).

: Image (modélisation) d’un champ de température au sein d’un jet de plasma impactant

: Modélisation de la température du jet plasma VLPPS

: Ecrasement d’une particule sur un substrat en projection cold spray

: Modélisation de la vitesse d’écoulement des gaz dans une buse cold spray

Caractérisation numérique de propriétés des revêtements (conductivité thermique, contraintes résiduelles)

Un logiciel permettant l’estimation de la conductivité thermique des structures poreuses (telles que les dépôts élaborés par projection thermique) est développé depuis 2002. Ce logiciel utilise directement l’image binaire du champ de porosité (micrographie de la coupe transversale d’un dépôt) comme support de maillage et chaque pixel est alors interprété comme un volume d’intégration de l’équation de conduction de la chaleur en régime stationnaire. En imposant 2 températures différentes sur les faces supérieures et inférieures de la structure et en affectant une conductivité thermique à chaque pixel (différente en fonction de sa couleur), il est possible de déterminer numériquement le flux thermique traversant la structure et d’en estimer une conductivité thermique effective dépendant du flux traversant et de l’épaisseur de l’échantillon. A présent, le logiciel utilise les méthodes SOR (Successive Over-Relaxation) et LSOR (Line Successive Over-Relaxation) pour résoudre la matrice formée (dont la taille correspond au nombre de pixels de l’image). La méthode SOR est identique à celle utilisée à l’ONERA (Châtillon, France) par J.M. Dorvaux mais la méthode LSOR est maintenant préférée car elle permet un gain de temps appréciable.

: Coupe micrographique d’un dépôt de zircone yttriée

: Image du flux thermique à travers la structure

: Modélisation de la distribution de températures sur un revêtement en cours de formation

La formation des contraintes résiduelles dans les dépôts se produit de par leurs conditions d’élaboration (écrasement puis refroidissement rapides de gouttelettes fondues, refroidissement de l’ensemble dépôt/substrat). En outre, la structure des dépôts formés peut être influencée (micro- fissures dans les dépôts céramiques) et des problèmes de décollement peuvent parfois être observés dans le cas de mauvaises conditions d’élaboration. Le logiciel SYSWELD (ESI Group, France) est utilisé au laboratoire pour tenter de mieux comprendre les mécanismes de formation des contraintes. Ce logiciel spécialisé dans les applications de type soudage permet notamment la prise en compte du couplage entre :

les phénomènes thermiques
la formation des contraintes
les éventuelles modifications de phase au sein du matériau

Sources thermiques mobiles

Le préchauffage des pièces et les balayages par jets de plasma ou jets HVOF en cours de projection représentent des sources thermiques mobiles qui influent de manière transitoire sur les températures de surface des matériaux. Si des modélisations peuvent être effectuées à l’aide de différents logiciels commerciaux, le LERMPS développe également un outil de calcul permettant la modélisation tridimensionnelle instationnaire des phénomènes de conduction dans le cas de sources thermiques mobiles sur des pièces de forme simple.