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.
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).
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.
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.
Simulation et optimisation des trajectoires de torches
En raison de la complexité géométrique des substrats à recouvrir et des exigences de qualité de plus en plus prégnantes, la projection thermique moderne doit mettre en œuvre des installations robotisées performantes. Cependant, lors de la programmation manuelle des robots, certaines contraintes sont difficiles à respecter comme par exemple la conservation simultanée de la distance et de l’angle de projection de la torche par rapport à la surface à revêtir.
Aussi, afin d’améliorer les procédures de programmation du robot et par voie de conséquence la qualité et la rentabilité du procédé, un programme de recherche est développé au sein de l’équipe. Ce programme a pour objectif la simulation de la projection thermique en intégrant la trajectoire de la torche. La distribution de l’épaisseur du revêtement ainsi que la température atteinte dans le substrat peuvent ainsi être simulées et optimisées pour des pièces complexes (cf. illustrations ci-après).
Ce programme de recherche comporte la mise au point d’une interface optimisée pour la projection thermique pour le logiciel RobotStudio ®, en collaboration avec la société ABB.
Les procédés de projection thermique offrent de nombreux avantages liés à la diversité des matériaux et des surfaces qu’ils permettent de traiter.
Leur développement en site industriel passe par la nécessité de répondre aux exigences attendues sur les propriétés des revêtements, que ce soit sur le plan de leur qualité ou de leur reproductibilité.
Une manière efficace d’obtenir les meilleures performances d’un revêtement est de contrôler sa fabrication en temps réel. Dans ce but, des méthodes de diagnostic ont été développées pour étudier le comportement des particules en vol. Les mesures effectuées correspondent généralement à une détermination de leur température de surface et de leur vitesse.
Système de diagnostic
Le laboratoire LERMPS est équipé, en particulier, du système de mesure DPV-2000 de Tecnar. Ce système, basé sur des capteurs optiques, permet de détecter des particules chaudes présentes dans le jet et d’en déterminer leur vitesse, température de surface et diamètre en cours de projection.
La mesure de la vitesse utilise une méthode de temps de vol correspondant au temps de passage de la particule à travers deux fentes, la température est calculée par pyrométrie bichromatique, et le diamètre est déduit du profil du signal émis par cette particule. La précision des mesures est respectivement de 1%, 3% et 12% sur chaque caractéristique. Le schéma de principe est présenté ci-contre.
Résultats
Les résultats des caractéristiques des particules sont analysés soit en moyenne (histogrammes) soit individuellement pour chaque particule détectée. Un exemple de résultat est présenté ci-contre correspondant à une poudre de Fer de granulométrie comprise entre 5 et 90 microns.
Le développement de systèmes de contrôle, tel que celui utilisé par le laboratoire LERMPS (DPV-2000), a pour but de suivre en temps réel l’évolution des paramètres liés aux particules en vol. L’analyse des résultats en cours de fabrication du dépôt conduit à une connaissance immédiate du comportement et du traitement des particules dans la flamme permettant aussi de mettre en évidence toute dérive de fonctionnement.
Cette approche semble essentielle pour conserver des conditions de projection les plus reproductibles possibles et parvenir à de meilleures qualités de dépôt.
D’autres systèmes de diagnostic sont aussi présents au laboratoire comme le plumespector, l’accuraspray ou encore le CPS-2000 ainsi que des pyromètres mono ou bichromatiques.
La mise en œuvre de revêtements réalisés par projection thermique connaît de nombreuses applications industrielles. Pourtant, certaines de ces applications restent inhibées par des caractéristiques telles que l’adhérence limitée des revêtements aux substrats, des problèmes de qualité, de reproductibilité, ou encore de coût industriel. En effet, un tel procédé nécessite plusieurs phases successives non synchronisées pour l’obtention d’un revêtement.
C’est pourquoi, dans le but de remédier à ces inconvénients, un certain nombre de techniques connexes à la projection thermique ont vu le jour ces dernières années notamment en termes de préparation de surface, de maîtrise des flux thermiques par préchauffage ou par refroidissement cryogénique ou encore de refusion simultanée.
L’essentiel de l’activité de ce secteur s’appuie donc sur différents brevets et savoir-faire relatifs à ces avancées, PROTAL®, Heat-Cool® et MELTPRO®.
Modification in situ des propriétés interfaciales : couplage torche plasma – laser impulsionnel (le procédé PROTAL®)
Le procédé PROTAL®, breveté en Europe, aux Etats-unis et au Canada, a été développé par le LERMPS en collaboration avec l’IREPA Laser (Illkirch, 67). Il vise à réduire l’ensemble des difficultés mentionnées précédemment en mettant en œuvre simultanément une source laser impulsionnelle et une torche de projection thermique. Les effets de l’irradiation laser permettent notamment d’éliminer le film superficiel de contamination du substrat, de générer un état de surface favorable à l’adhésion du revêtement et de limiter la contamination superficielle des couches précédemment déposées par la condensation des vapeurs. Il en résulte une possibilité de réduire, voire de supprimer totalement les phases préalables de dégraissage des surfaces à revêtir ainsi que la suppression de l’étape traditionnelle de sablage. L’augmentation de l’adhérence des revêtements, la diminution de la porosité ainsi que l’augmentation de la cohésion de ces mêmes revêtements sont également des atouts importants.
Tous les résultats expérimentaux obtenus selon la nature des matériaux ou les paramètres laser ont montré un effet sensible de l’irradiation générant ainsi des résultats proches de ceux rencontrés avec les procédures conventionnelles de dégraissage et de sablage. Toutefois, les travaux ont mis en évidence la nécessité d’une optimisation des paramètres de traitement relatifs à la disposition de la tâche laser par rapport au jet de poudre mais aussi de la séquence de projection.
Modification in situ des propriétés interfaciales et intrinsèques : couplage torche plasma – laser impulsionnel et refroidissement cryogénique (le procédé Heat-Cool®)
Le procédé Heat-Cool®, breveté en Europe, a été développé par le laboratoire IRTES-LERMPS.
Il met en œuvre simultanément une source de chaleur (laser, flamme, torche, …), une torche de projection et une buse de refroidissement cryogénique.
La source de chaleur, utilisée en guise de préchauffage avant la réalisation du revêtement, présente l’avantage de limiter la différence de température entre les particules projetées et le substrat et de ce fait d’améliorer l’adhérence du dépôt. Il est possible de sélectionner une température de chauffage adéquate compte tenu de la nature et de la structure du substrat en relation directe avec son énergie superficielle. Plusieurs procédés thermiques peuvent être utilisés tels qu’un laser de forte puissance (laser Nd-Yag impulsionnel), une flamme, une torche de projection, etc. La simultanéité des deux procédés de chauffage et de revêtement proprement dit permet de bénéficier d’une température élevée en surface au moment de l’impact des particules tout en minimisant le transfert thermique dans le substrat. Le chauffage localisé permet quant à lui de limiter la zone chauffée tout en maintenant le reste du substrat à température ambiante et donc de diminuer l’oxydation ou la nitruration du substrat pendant la projection.
L’utilisation d’un système de refroidissement (CO2 liquide) immédiatement après le dépôt des particules permet pour sa part de minimiser le transfert thermique des particules vers le substrat et donc de limiter les contraintes résiduelles susceptibles de se développer dans le substrat.
Ainsi, l’action combinée du chauffage de la zone avant dépôt et du refroidissement de cette même zone, immédiatement après recouvrement, permet de mieux maîtriser le revêtement proprement dit. Une adaptation, néanmoins, du procédé en termes de préchauffage en particulier selon la nature des couples substrat-dépôt semble nécessaire afin d’optimiser d’une part les propriétés des revêtements et d’autre part le coût de la technologie (flamme / laser).
Modification des caractéristiques microstructurales de revêtements de zircone stabilisée à l’yttrine par refusion in situ sous irradiation laser (le procédé MELTPRO®)
Ces travaux se sont inscrits dans le cadre d’une collaboration entre l’IRTES-LERMPS, le LISS (Ecole nationale Supérieure des Arts et Industries de Strasbourg) et le centre de transfert IREPA-Laser. Ils ont bénéficié d’un soutien de la part du réseau Laser Grand Est.
Les barrières thermiques, projetées à la torche à plasma d’arc soufflé et constituées d’une couche céramique de zircone stabilisée à l’yttrine (ZrO2-Y2O3) et d’une sous-couche métallique à base de nickel faisant office de couche de complaisance et de barrière de diffusion, sont très utilisées pour protéger les composants des turbines à gaz des hautes températures et de la corrosion et de l’oxydation. Toutefois, ces couches se dégradent lors des cycles thermiques accompagnant le fonctionnement aux différents régimes de ces turbines.
Ainsi, dans la perspective d’amélioration de leurs caractéristiques, un traitement de refusion simultanée à la phase de construction du dépôt grâce à un laser à diodes de forte puissance (3 kW) a été étudié.
Les résultats, dérivant d’études paramétriques et analytiques, ont montré que ce co-traitement induisait :
« 1/ une meilleure cohésion du dépôt de céramique ; »
2/ une structure colonnaire fine intéressante pour une amélioration des propriétés thermomécaniques de ces couches.
En conséquence, une bonne corrélation entre les paramètres opératoires et les structures obtenues est à mettre en place afin d’apporter un réel gain aux matériaux.
Préparation de surfaces avant projection par texturation laser
Face à un cahier des charges relevant non seulement d’exigences techniques de plus en plus élevées, économiques de plus en plus sévères, mais également de plus en plus contraignant vis-à-vis des impacts environnementaux des procédés et des produits élaborés, les concepteurs s’interrogent quant au meilleur choix des matériaux et des procédés d’élaboration des produits. Pour palier certaines limitations, sans perdre (voire pour améliorer encore) les bénéfices environnementaux des techniques, de nouveaux procédés dits « hybrides » sont de plus en plus considérés par l’association de plusieurs techniques. C’est précisément le cas aujourd’hui avec l’association des techniques de projection thermique et des faisceaux laser. Si cette association a d’ores et déjà démontré un fort intérêt d’un point de vue technologique (par ablation laser des surfaces), l’évolution des technologies laser permet aujourd’hui de travailler encore plus vite et de façon encore plus efficace suivant un nouveau mode de traitement. Le développement des lasers à fibres a permis en effet de développer de nouveaux outils laser permettant à la fois de nettoyer les surfaces tout en maîtrisant la morphologie de ces dernières par un phénomène de texturation. La création de motifs par traitement laser en surface d’un matériau support (trous, lignes, etc.) permet ainsi le contrôle de sa géométrie et de définir un état de surface adapté au procédé de mise en œuvre du revêtement. Plusieurs configurations peuvent alors être envisagées.
Les premiers résultats témoignent déjà d’une avancée technologique supplémentaire par des niveaux d’adhérence jusqu’alors inégalés associant une interaction physico chimique entre les surfaces avec un ancrage mécanique.
L’agglomération séchage (spray drying) est un procédé de mise en forme des poudres à partir d’une suspension de particules microniques ou sub-microniques. Les tailles moyennes des agglomérats produits avec les outils du laboratoire varient de 10 à 120 µm. Ce procédé conduit à de former des granules sphériques permettant d’améliorer la coulabilité et/ou d’assurer une homogénéité chimique des poudres élaborées. De fait, ce procédé peut être judicieusement utilisé pour développer de nouvelles compositions de poudre céramique, pour élaborer des poudres composites céramique/polymère ou des cermets métal/carbure.
Outre la composition, le procédé d’agglomération séchage permet de maîtriser la morphologie du granule formé à travers un contrôle rigoureux des différentes étapes :
- la formulation de la barbotine (stabilité, homogénéité, comportement)
- la pulvérisation et le séchage (taille et distribution des gouttes, vitesse de séchage et mode de séchage)
- la consolidation (traitement au four, à la flamme ou à la torche à plasma)
Les travaux de thèse de N. Berger-Keller et de P. Roy ont établi une corrélation entre l’état de dispersion / floculation de la suspension et la forme pleine ou creuse des poudres élaborées.
Savoir faire/procédé utilisé
Ce procédé consiste à atomiser un filet de matière obtenu à partir d’un bain de matière métallique en fusion dans un autoclave (fig. 1b). Les gouttelettes de matière se solidifient dans la chambre d’atomisation (Fig. 1b) grâce à un échange convectif avec le gaz ambiant et donnent de la poudre (Fig. 2). Celle-ci est collectée dans des pots réceptacles en partie basse de la tour et à la sortie des gaz d’atomisation (Fig. 1b). Le procédé utilisé au LERMPS permet d’obtenir des poudres de granulométrie resserrée comprise généralement entre 1 et 100 µm (Fig.3) pour des tailles de lots entre 5 et 70 kg.
Exemple de réalisation
Un des plus grands défis de la recherche industrielle contemporaine consiste à vouloir définir, uniquement par le calcul, l’architecture d’un matériau possédant des propriétés désirées dans un environnement donné.
Même si cet objectif est encore lointain, les développements numériques et théoriques réalisés ces vingt dernières années constituent une panoplie relativement complète permettant de s’en rapprocher. Ces outils sont, en effet, maintenant utilisés couramment dans l’industrie, tant en ce qui concerne les propriétés structurelles et mécaniques, que les propriétés de transport, et on peut supposer que les Unités visant à la modélisation numérique en Sciences des Matériaux vont continuer à se développer.
La principale caractéristique de cette activité est le caractère profondément pluridisciplinaire qu’implique la multitude d’échelles mises en jeu. Il faut ainsi avoir recours à des techniques allant de la physique microscopique pour la modélisation à l’échelle atomique, aux sciences de l’ingénieur classiques pour la modélisation à l’échelle des structures, en passant par les échelles intermédiaires relevant habituellement de la métallurgie ou de la physique des milieux hétérogènes.
Dans le cadre de la simulation, l’expérience joue le rôle plus particulier de valider la modélisation, puisque le calcul doit fournir des prédictions très précises. Ainsi, il est essentiel de connaître les techniques expérimentales permettant une confrontation directe avec les calculs.
Enfin, l’informatique joue un rôle crucial dans toutes ces approches, en particulier dans le traitement du flot de données généré par une simulation.
Le thème central des recherches développées dans le LERMPS est l’étude des matériaux métalliques et, en particulier, des relations entre la structure des matériaux et leurs propriétés, mécaniques ou magnétiques.
Nos recherches privilégient l’étude des propriétés mécaniques et de la résistance à l’environnement chimique.
Travaux concernant les propriétés mécaniques
Ils visent à élucider les mécanismes physiques qui déterminent
1/ les constantes élastiques,
2/ la dilatation thermique,
3/ la loi d’écoulement plastique,
4/ la ténacité,
5/ la résistance au fluage,
6/ la résistance à l’endommagement.
Des domaines particuliers d’expertise sont la rupture ductile et l’adhésion d’assemblages et de revêtements.
Travaux concernant la résistance à l’environnement chimique
Ils portent principalement sur
1/ la corrosion électrochimique,
2/ l’oxydation à haute température,
3/ la corrosion des réfractaires par les métaux liquides.
Deux types d’approches sont développées : celle basées sur les calculs ab-initio et celle utilisant la dynamique moléculaire classique.
Le calcul ab-initio
Le calcul ab initio, établi sur les lois fondamentales de la mécanique quantique, fournit des modèles à l’échelle atomique.
Parmi les nombreux travaux publiés récemment en ce sens, on peut citer ceux de Kaxiras de l’Université de Harvard. En testant sur ordinateur différentes substitutions chimiques dans un matériau à base de molybdène et de silicium, il a conclu que l’aluminium améliorerait la ductilité (capacité d’élongation) du composé. Une prédiction qui a été récemment confirmée par l’expérience.
Mais le calcul ab initio permet de traiter au mieux une centaine d’atomes pendant seulement une picoseconde. Au delà, il faut sacrifier un peu au réalisme du modèle et introduire des données empiriques pour alléger les calculs. On atteint alors l’échelle mésoscopique, celle de la microstructure du matériau. Pour l’observer, la dynamique moléculaire s’impose.
La dynamique moléculaire
Cette technique repose cette fois sur des lois de mécanique classique et permet de suivre le comportement de 1 million d’atomes sur une nanoseconde, mille fois plus longtemps qu’en calcul ab initio. La dynamique moléculaire est utilisée en particulier pour observer des cascades.
Mise en forme par projection thermique : VPS, LPPS, Propriétés mécaniques, Chambre de combustion, Structures multicouches, Contraintes résiduelles
L’objectif général de ce projet est de remplacer certains moyens de fabrication jugés trop longs ou trop coûteux ou encore inadaptés pour certains matériaux difficiles à mettre en forme. La réalisation d’une pièce au plus près de la côte finale diminue la quantité de matière consommée et le temps d’usinage final. Afin d’obtenir une pièce conforme à un cahier des charges et dont l’épaisseur de paroi pourra varier de quelques dixièmes de millimètres à plusieurs centimètres, de nombreuses études sont nécessaires et concernent notamment :
- la mise au point des paramètres de projection
- le choix, le contrôle et le traitement des poudres
- la détermination des contraintes résiduelles pour le respect des tolérances dimensionnelles
- la maîtrise de l’élaboration de structures multicouches avec interfaces simples ou à gradient de composition
- la mise au point de l’élimination du support d’origine
- la réalisation de dépôts sur des formes de géométrie complexe.
Ce procédé peut s’appliquer aussi bien pour l’obtention de pièces céramiques, métalliques ou composites. Les études entreprises au laboratoire depuis le début des années 1990 se sont principalement axées sur le développement des matériaux métalliques suivants : Inconel 625, Astroloy, Monel K-500, TA6V4, CuAgZr.
Afin d’atteindre des propriétés mécaniques équivalentes à celles des mêmes matériaux mais obtenus par des procédés plus conventionnels (forgeage, coulée, MDP), le procédé de projection VPS (Vacuum Plasma Spraying ou aussi nommé LPPS : Low Pressure Plasma Spraying) a été employé. Ce procédé de projection thermique par une torche à plasma d’arc soufflé s’effectue dans une enceinte de projection dans laquelle une pression réduite et une atmosphère neutre (typiquement 50 à 200 mbar d’argon) sont régulées. La teneur en oxygène résiduelle dans l’enceinte n’excède pas pour la plupart des projections une valeur de 100 ppm. Ce faible niveau permet d’éviter l’oxydation des particules et également du substrat ou subjectile qui peut ainsi être porté à haute température (500 à 1100°C). L’avantage de cette faible pression réside aussi dans les vitesses que vont atteindre les particules, de 400 à 700 m/s, permettant d’obtenir des dépôts avec une faible porosité. La vitesse élevée des particules, la température élevée du substrat et la possibilité de décaper la surface par un arc semi-transféré en polarisant négativement le substrat permettent d’atteindre des valeurs en adhérence largement supérieures à 100 MPa.
Le programme technologique de mise en forme par projection thermique a porté d’une part sur la caractérisation métallurgique et mécanique des matériaux VPS et d’autre part sur l’étude de cas concrets de mise en forme de pièces. Ce programme a été initialement supporté (1992-1997) par SNECMA-Sochata, Turboméca-Tarnos et la SEP (Société Européenne de propulsion) puis majoritairement (1997 – 2007) par SNECMA-Division Moteurs Fusées (ex-SEP).
D’un point de vue structure, les matériaux obtenus présentent des taux de porosité voisins de 1% et la microstructure, sans post-traitement , peut être recristallisée si la température d’élaboration est suffisamment haute (cas des alliages de cuivre notamment et aussi du TA6V).
Des traitements thermiques conventionnels (sans HIP) ont été appliqués sur les matériaux VPS. Ils permettent d’obtenir des microstructures équiaxes et parfois, selon les conditions de réalisation des traitements thermiques, un abaissement de la porosité. Par rapport aux mêmes matériaux mais réalisés par d’autres procédés, à traitements thermiques identiques, on note que les matériaux VPS possèdent une taille de grains généralement plus faible.
Les caractéristiques mécaniques des matériaux VPS sont identiques à celles des matériaux conventionnels. Une meilleure résistance au fluage est dans la plupart des cas mesurée au dépend d’une légère baisse des résultats en fatigue.
En terme d’adhérence, les valeurs obtenues sont très bonnes. Il est ainsi tout à fait possible d’envisager la réalisation de partie de pièces par ce procédé, la réalisation de structures multicouches ou la reprise d’épaisseur.
En parallèle à ses études de caractérisation, de nombreuses maquettes et propotypes de chambres de combustion ont été élaborés. L’année 2006 a ainsi vu la réalisation complète d’un prototype de chambre de combustion de moteur HM7 (3ème étage de la fusée Ariane) à partir des technologies développées en collaboration avec la société SNECMA-DMS, groupe SAFRAN. Une pièce de 50 kg, 550 mm de hauteur, multicouche, intégrant 128 canaux de largeur et hauteur variable a ainsi été réalisée. Aujourd’hui, les études se poursuivent sur une chambre de taille plus réduite préfigurant le futur besoin d’Ariane 6.
La mise en forme par projection thermique est également aujourd’hui développée en partenariat avec le LNCMI-CNRS (Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses de Grenoble) avec le procédé Cold Spray pour des alliages de cuivre combinant haute résistance mécanique et forte conductivité électrique. L’écrouissage des particules provoqué par la déformation à froid permet, tout en gardant une conductivité identique, d’atteindre une plus haute limite d’élasticité par rapport au matériau forgé. Cette plus haute limite d’élasticité permet d’augmenter le champ magnétique, celui-ci étant généré par le passage d’une forte densité de courant dans des tubes découpés en forme d’hélice et emboîtés les uns dans les autres.
Des rendements de projection proches de 100 % sont atteints et permettent d’élaborer des dépôts denses jusqu’à 30 mm d’épaisseur sur des supports de diamètre 340 mm, soit des masses déposées pour les plus grosses hélices de l’ordre de 120 kg. La projection sous atmosphère contrôlée d’hélium permet d’accroître l’écrouissage du matériau et de limiter toute oxydation.
Sous air à pression atmosphérique (APS), le plasma de faible densité pénètre dans l’air, plus dense, ce qui mène à la formation de tourbillons entrainant des engouffrements d’air au sein du jet plasma, de façon plus ou moins importante en fonction de la viscosité du plasma. La projection APS se caractérise ainsi par une possible réactivité chimique des matériaux sensibles à l’oxydation avec l’oxygène ambiant. Pour s’affranchir de ces problèmes d’oxydation et favoriser l’obtention de dépôts métalliques purs exempts de phases oxydes, la projection plasma sous atmosphère inerte à pression atmosphérique (IPS, Inert Plasma Spraying) et la projection plasma sous pression réduite sont des alternatives. Connu sous l’acronyme LPPS (Low Pressure Plasma Spraying) ou VPS (Vacuum Plasma Spray), la projection plasma sous basse pression se caractérise par des pressions d’enceinte de l’ordre de 3 à 30 kPa générallement. Comparé à la technique APS et outre l’avantage d’élaborer des revêtements exempts d’oxydes, la différence de pression entre le col de la tuyère et la chambre engendre une accélération plus forte de l’écoulement des gaz du jet de plasma lui permettant d’atteindre un régime supersonique. En conséquence, la vitesse des particules est plus importante et les densités de dépôts plus élevées. Le concept des basses pressions s’est ensuite étendu à des pressions d’enceinte de l’ordre de 100 à 1000 Pa: on parle alors de VLPPS (Very Low Pressure Plasma Spraying). Les dépôts obtenus présentent des épaisseurs intermédiaires entre les épaisseurs déposées en APS (quelques centaines de micromètres) et PVD (quelques micromètres).
Les travaux réalisés au laboratoire LERMPS dans la projection plasma sous très faible pression consistent :
- à étudier les propriétés du jet plasma au travers d’instruments de diagnostics comme les sondes enthalpiques et la spectrométrie d’émission
- à étudier le traitement thermique des particules dans le jet plasma sur la microstructure des revêtements et notamment les effets de vaporisation des matériaux qui peuvent avoir lieu
- à étudier la réactivité des matériaux dans le jet plasma en fonction de sa composition notamment avec l’utilisation de gaz réactif comme l’azote
