AXES DE RECHERCHE
Assemblages hybrides
Les polymères thermoplastiques présentent des propriétés attractives, telles que la légèreté et la résistance à la corrosion, qui constituent un avantage significatif par rapport à d’autres classes de matériaux comme les métaux. Cependant, les propriétés des matériaux métalliques sont nécessaires pour l’application initiale de la pièce dans son environnement de fonctionnement, comme sa résistance à l’usure. Afin de combiner les avantages des polymères avec les propriétés des métaux, la possibilité de les métalliser a ouvert la voie à de nouvelles applications. Les principales techniques de métallisation actuellement utilisées sont des procédés par voie humide telle l’électrodéposition ou le placage chimique, et des procédés par voie sèche comme le dépôt physique en phase vapeur (PVD) ou la projection thermique. Les procédés plasma, arc fil et cold spray sont les plus impliqués. Des travaux ont montré la faisabilité de revêtements céramique (Cr2O3) et cermet (NiCr-Cr3C2), respectivement par projection plasma APS et flamme HVOF, sur un substrat composite époxy / fibre de verre.
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Geoffrey Darut
Tél : 33 (0)3 84 58 32 36
geoffrey.darut@utbm.fr
L’adhérence d’un revêtement par la méthode de projection thermique nécessite une rugosité de surface suffisante pour permettre le bon ancrage des particules projetées. Traditionnellement, c’est la méthode de sablage qui est utilisée dans la majorité des cas pour générer une géométrie de surface propice aux mécanismes d’adhérence. Néanmoins, avec les allègements de structures qui imposent des changements de matériaux (alliages légers, composites à matrice organiques, etc.) et/ou les nouvelles fonctionnalités (métallisation des céramiques), il devient impossible alors de structurer la surface par de tels procédés par risque de fragilisation du matériau (si matériau trop ductile) ou d’inefficacité (matériau trop dur). C’est pourquoi, pour palier de telles limitations, la texturation laser semble aujourd’hui un candidat prometteur pour promouvoir l’adhésion des revêtements. Si de nombreuses configurations ont d’ores et déjà pu être valorisées sur substrats métalliques, il devient de plus en plus intéressant aujourd’hui de s’intéresser aux traitements des matériaux céramiques. Qu’il s’agisse de substrats d’alumine, de zircone, de CMC, etc., la structuration de surface par laser peut être optimisée au moyen de divers outils laser tels que des lasers continus ou des laser pulsés avec des durées d’impulsions de l’ordre de la nanoseconde ou femtoseconde.
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Sophie Costil
Tél : 33 (0)3 84 58 32 35
sophie.costil@utbm.fr
La fabrication additive par projection à froid (Cold Spray) couplée à la texturation laser (création de motifs micro-géométriques à la surface d’un matériau) permet de générer un point de fixation entre deux matériaux disjoints, l’acier et l’alliage d’aluminium. L’association de ces deux procédés a rendu possible la réalisation d’assemblages multi-matériaux avec des stratégies de conception s’apparentant à des assemblages par soudage linéaire ou par résistance par points, avec des valeurs de résistance mécanique proche de 100 MPa. Ce travail en collaboration avec la société LISI Automotive a abouti au dépôt du procédé breveté : LISI µ-MACH ASSEMBLY PROCESS ®. Il permet d’assembler à froid rapidement et de manière durable différents types de matériaux (aciers, alliages d’aluminium…). LISI µ-MACH ASSEMBLY PROCESS® est un procédé d’assemblage innovant, breveté et actuellement en développement.
Pour en savoir plus :
Thèse de Amela KUSURAN
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Marie Pierre Planche
Tél : 33 (0)3 84 58 32 00
marie-pierre.planche@utbm.fr
Développement de procédés
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.
Pour améliorer la durée de vie des pièces de structures et diminuer les contraintes environnementales, différents traitements de surface ont été développés, en particulier les traitements par voie sèche. Dans le domaine des traitements de surface, la projection thermique présente divers intérêts technologiques (rendements élevés, pièces de grandes dimensions, etc.) pour élaborer des revêtements protecteurs contre la corrosion, la température, l’usure, etc. Si les mises en œuvre ont d’ores et déjà pu être démontrées (nombreuses applications industrielles), il n’en demeure pas moins un besoin perpétuel de maitrise des procédés et d’évolutions tant d’un point de vue matériaux que process afin d’améliorer encore la tenue des pièces. C’est pourquoi, des techniques dites connexes ou hybrides tendent à se développer dès lors qu’il s’agit d’associer différentes technologies pour pallier certaines limitations imputables aux procédés propres. Ainsi par la combinaison d’un laser de puissance et d’une torche de projection, il a pu être démontré l’effet bénéfique du rayonnement photonique à la fois d’un point de vue adhérence des revêtements mais aussi structural. L’évolution de ces nouvelles technologies permet ainsi d’entrevoir de nouvelles applications tout en garantissant un impact environnemental moindre des traitements de surface (avantages des outils laser).
La technologie laser est aujourd’hui utilisée dans de nombreux domaines pour ses qualités de précision et d’automatisation. Selon la densité d’énergie et le temps d’interaction, elle peut provoquer des effets photochimiques, mécaniques ou thermiques au sein du matériau qui laissent alors envisager diverses applications. Par exemple, avec des temps d’impulsions extrêmement courts, il est possible d’interagir sur l’extrême surface (effets thermiques limités) et de cibler alors des applications de préparations de surfaces bien précises. Avec des temps d’interaction plus longs, les effets thermiques à l’inverse sont plus amplifiés et permettent alors d’envisager d’autres effets de préchauffage des surfaces ou encore de refusion en cours de traitement.
L’utilisation des faisceaux laser devient donc particulièrement intéressante d’un point de vue environnemental (procédé propre sans résidus) et économique puisque, grâce à l’évolution des technologies, il permet aujourd’hui de travailler encore plus vite et de façon encore plus efficace suivant divers modes de traitements (ablation, fusion…).
Outils
Laser d’ablation/texturation (ES Laser), l=1064nm, P=50W, Durées d’impulsions variables de 4ns à 350ns, fréquences adaptées de 2kHz à 4000 kHz
Laser de chauffage (Cheval), l=1064nm, P=1100W, Durées d’impulsions jusqu’à quelques ms, fréquences adaptées
Pour en savoir plus :
Thèses de Laure CONVERT, Lucille DESPRES, Robin KROMER, Amina LAMRAOUI
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Sophie Costil
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Nouveaux matériaux et mise en forme
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
Mesures des propriétés des matériaux ferromagnétiques doux réalisés par FA
- Tores réalisés par FA – géométrie/matériau
- Bobinage primaire : applique H(A/m) au matériau
- Bobinage secondaire : mesure l’induction B(T)
- Fréquence de 1Hz à 1kHz
Actions
- 2 thèses en cours (H. Hamouda, Cold Spray et M. Amitouche FA – feuilletage)
- 1 projet industriel sur 2×2 ans avec Safran (financement de stages, IgR)
- Prestation ouverte pour la caractérisation (≈ 50 caractérisations commandées en 2024)
- Participation à AAMS 2024 en septembre
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Olivier Marconot
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olivier.marconot@utbm.fr
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Yoann Danlos
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Projection thermique 4.0
Comprendre, contrôler et prédire le comportement phénoménologique de la fabrication additive par projection à froid permet un développement continu de plusieurs solutions technologiques capable d’intégrer les matériaux innovants et leurs performances. L’équipe PMDM site UTBM travaille sur cette problématique en tirant profit de la modélisation et simulation numérique pour optimiser le fonctionnement de cette méthode additive en maîtrisant l’ensemble des interactions entre paramètres procédés et croissance additive de matière lors de collision continue de poudres micrométriques sur un substrat cible. Les travaux de simulation comprennent en cela trois aspects distincts mais étroitement liés : le control de la cinétique de croissance de matière en fonction du mouvement et de la trajectoire de la buse de projection, le comportement phénoménologique de l’écoulement compressible supersonique à l’intérieur et à l’extérieure de la buse et ses interactions cinématique et thermique avec les poudres micrométriques, et les mécanismes de formation de revêtement produits par la collision et les fortes vitesses de déformation lorsque celles-ci prévalent comme dans le cas des matériaux déformables. La thématique transverse « simulation des procédés » développe ainsi des modèles multiphysiques prédictifs qui servent à caractériser les phénomènes gouvernant la fabrication additive par projection thermique et leurs conséquences sur les réponses du matériau étudié pendant la formation de dépôt.
Photos illustratives :
- comportement instable de jet supersonique en projection à froid entraînant des déviations puis dispersion des particules
- phénomènes de confinement interfacial et formation de revêtement lors de collision balistique
- simulation de variance de dépôts et optimisation d’épaisseur de revêtement sur des surfaces à forme complexe
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Rija Nirina Raoelison
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rija-nirina.raoelison@utbm.fr
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Sihao Deng
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