Adhérence ?

Quelques mots sur l’adhérence en projection thermique ?

Pour tous les revêtements en projection thermique, l’adhérence est une propriété primordiale. Sans une adhérence suffisante, toutes les autres fonctionnalités du revêtement deviendront inutiles. En effet, le décollement du revêtement peut se produire à l’interface (rupture adhésive) ou à l’intérieur du revêtement (défaillance cohésive), ou dans une combinaison des deux.

Rupture cohésive après un essai de traction pion collé

 

Mécanismes

Les différents mécanismes d’adhérence d’un revêtement sont généralement scindés en trois principes : mécanique, physique, chimique/métallurgique. Les facteurs influençant l’adhérence concernent dans un premier temps le substrat telles que sa rugosité, sa température et sa composition. Dans un second temps, les propriétés en vol des particules interviennent (vitesse, température). Dans un troisième temps, la stratégie de projection avec des paramètres tels que le débit massique de poudre, la stratégie et vitesse de projection. Enfin, il convient de ne pas oublier les facteurs environnementaux qui agissent à l’interface comme la présence d’adsorbants/condensats.

L’ensemble de ces paramètres doit être étudié/optimisé/contrôlé pour assurer aux premières particules incidentes qui seront liés au substrat de bonnes propriétés : mouillage du splat pour assurer sont étalement puis sa solidification sur le profil de surface, limitation des éclaboussures, de l’oxydation des splats et du substrat, la présence de contraintes résiduelles trop importantes (traction notamment).

En projection thermique, le mécanisme d’adhérence principal est le verrouillage/ancrage mécanique. Par conséquent, la rugosité du substrat doit être suffisante ou tout du moins adapté à la taille des particules qui impactent sur le substrat. Le procédé de sablage est le plus utilisé. D’autres comme le grenaillage, l’usinage ou la texturation laser peuvent être des alternatives pertinentes. En général, une plus grande rugosité du substrat entraîne une plus grande adhérence. Il y a cependant une limite pour ne pas détériorer l’intégrité/l’homogénéité du revêtement.

Différentes préparations de surface

 

Première couche

La première couche de particules déposés (lamelles étalées) représente le contact entre le revêtement et le substrat. Leur liaison est cruciale pour le développement de l’adhérence. Un facteur clé est la température de préchauffage/projection, principalement lorsque les particules incidentes sont en fusion (plasma, arc fil, flamme). Pour de nombreux matériaux, une température dite de transition existe, au-dessus de laquelle des splats homogènes en forme de disque se forment, et en dessous de laquelle ils ont tendance à se fragmenter. Ce phénomène a été attribué aux adsorbats et aux condensats présents à la surface du substrat, qui forment une barrière gazeuse, augmentant la résistance thermique dans les deux cas.

Le préchauffage semble aussi améliorer la mouillabilité des particules sur le substrat, renforçant ainsi l’adhérence. Les splats en forme de disque sont généralement préférés, car ils sont associés à une adhérence et une cohésion élevées, à une faible porosité, assurant de bonnes propriétés mécaniques et thermiques au revêtement. Les revêtements formés à partir d’éclaboussures présentent généralement une faible adhérence et cohésion, ainsi qu’une grande porosité, qui sera difficile à combler par les prochaines particules. Concernant les propriétés d’interfaces, un préchauffage sous air trop important va induire une oxydation du substrat. Cette interface fragile par la présence d’oxydes peut empêcher le contact entre deux matériaux.

Pour éviter cette oxydation, la projection plasma sous atmosphère contrôlée (VPS/IPS) est une solution fiable. L’absence d’oxygène permet de préchauffer un substrat à de haute température jusqu’à 900°C (en fonction de sa température de fusion). Lorsque les particules fondues arrivent à la surface, une liaison thermique locale peut se produire, ce qui conduit généralement à une amélioration de l’adhérence (liaison métallurgique sur quelques nm). La particule doit avoir le temps de faire fondre le substrat et les deux doivent se solidifier avant que la pression d’impact ne soit dissipée.

Dans certains cas, il est nécessaire d’utiliser un revêtement intermédiaire (sous-couche) entre deux matériaux substrat et revêtement final. Le plus courant est l’accommodation des coefficient de dilatation thermique entre un métal et une céramique (application type barrière thermique).

 

Mesure de l’adhérence d’un revêtement

Le test d’adhérence par traction (dit du pion collé) est principalement utilisé comme outil de contrôle de qualité pour les revêtements par projection thermique. Il consiste à coller l’échantillon revêtu (pion calibré ∅25,4 mm environ) à un contre pion similaire non revêtu dont la surface est préparée pour lui donner une certaine rugosité. L’ensemble est testé en traction dans une machine d’essai universelle. La valeur de la force d’arrachement/de rupture qui a permis de séparer les deux éléments est transformée en une valeur d’adhésion (force/surface). La principale norme utilisée dans l’industrie ou les laboratoires de recherche est ASTM C633-01. Il existe cependant des équipement portatifs avec possibilité de réaliser l’essai de traction directement sur une pièce revêtue comme le PAThandy.

Méthodes d’essais de traction adhérence

 

Globalement, il faut prendre en compte tous ces paramètres qui dépendent du/des couples de matériaux mis en jeu, et du procédé de projection utilisé (plasma, flamme, cold spray, etc.).