Il était une fois la flamme haute vitesse

Il était une fois la flamme haute vitesse

 

Résume :

Les particules de carbure noyées dans un liant métallique sont connues sous le nom de cermets ou de revêtements composites à matrice métallique. Ces particules offrent une dureté élevée au revêtement, apportant de la ténacité au système, créant un revêtement composite de haute qualité. Les matières premières à base de carbures peuvent être projetées à l’aide de diverses techniques de projection thermique, notamment la projection par plasma (APS, VPS, LPPS, HPPS et SPS), la projection à froid (CS) et les procédés de projection à grande vitesse (HVOF, HVAF et DG). Cependant, il est aujourd’hui bien connu que les revêtements à base de WC projetés par APS souffrent d’une décarburation importante des particules de carbure. La décarburation, peut être définie comme la perte de carbone à la surface des particules de carbures en raison de la surchauffe/oxydation.

Les procédés à haute vitesse telles que HVAF et HVOF ont alors attiré de plus en plus l’attention, en raison de leur grand potentiel dans la projection de cette classe de matériaux sans surchauffe extrême des carbures. Ils permettent ainsi d’obtenir un revêtement très dense et adhérent, car ces procédés fournissent une combinaison appropriée d’énergie cinétique élevée et d’énergie thermique adéquate. Néanmoins, l’énergie thermique dans la technique HVOF, du fait de l’utilisation d’oxygène pur, est encore relativement élevée pour maintenir la fenêtre ouverte à l’apparition de la décarburation. En revanche, l’utilisation d’air comprimé dans la technique HVAF permet de maintenir la température des particules en dessous de la fusion de la matrice du matériau, tout en conservant une vitesse élevée. Cela permet d’obtenir une plus grande énergie cinétique avec une température des particules plus basse par rapport à la technique HVOF, ce qui contribue à atténuer la décarburation.

Par conséquent, une vitesse de particule très élevée combinée à une température de flamme relativement basse ouvre la voie à la fabrication de revêtements extrêmement denses, avec une dégradation du matériau de base considérablement réduite en raison des effets thermiques tels que l’oxydation et/ou la décarburation. De plus, la combinaison souhaitée d’une énergie cinétique élevée et d’une faible énergie thermique fait de l’HVAF une méthode adaptée à la projection de poudres avec une taille de particule/carbure plus petite, ce qui peut améliorer considérablement les propriétés et les performances du revêtement fabriqué.

Les poudres cermets peuvent différer en termes de morphologie, de distribution/taille des carbures, de taille des particules et de densité apparente. Dans les procédé HVOF/HVAF, la vitesse en vol et la température des particules peuvent être significativement influencées par ces caractéristiques. Cela peut potentiellement affecter les caractéristiques et par conséquent la performance du revêtement résultant. Traditionnellement, le matériau cobalt a été largement utilisé dans les revêtements à base de WC pour servir de liant métallique. WC-12Co et WC-10Co-4Cr sont les deux compositions les plus populaires pour les applications de projection thermique. Cependant, cet élément présente plusieurs risques pour l’environnement et l’approvisionnement, ce qui a conduit à des recherches approfondies pour proposer des alternatives appropriées au Co comme liant pour les revêtements à base de WC.

Un candidat alternatif éventuel devra non seulement répondre aux exigences environnementales, mais aussi présenter des propriétés mécaniques et des performances tribologiques prometteuses. Au cours des dernières années, plusieurs recherches ont été menées pour tenter de proposer des autres liants. Le Ni avec trois rapports pondéraux principaux de WC-10Ni, WC-12Ni et WC-17Ni, est disponible dans le commerce comme liant dans les revêtements à base de WC et Cr3C2 par projection thermique. L’utilisation de cet élément comme liant permet d’obtenir un système de revêtement présentant une résistance à l’oxydation supérieure à celle du Co. Il est généralement utilisé avec l’ajout d’autres éléments tels que Cr.  Certains liants à base de Ni et de Fe existent également et présentant des caractéristiques et des performances prometteuses : NiMoCrFeCo qui a montré des performances comparables à celles de WC-CoCr, FeNiCrMoCu et FeCrAl.

 

1. Les poudres

Le procédé de fabrication de la poudre, qui détermine les caractéristiques de la poudre, va donc influencer les propriétés du revêtement déposé. Les caractéristiques importantes de la poudre qui doivent être contrôlées sont les suivantes :

• la taille des grains de carbure dans les particules
• l’homogénéité de la dispersion du carbure dans les particules
• la densité des particules
• la forme des particules
• la distribution de la taille des particules

Pour le procédé HVOF/AF, les poudres cermets ont généralement une taille de particule comprise entre 10 et 50 µm, une teneur en liant métallique comprise entre 10 et 40 % en poids et, dans chaque particule, une taille de grain de carbure inférieure à 5 µm.

Tous les procédés de fabrication de poudres commencent par un mélange homogénéisé de grains de carbure (inférieurs à 5 µm) et d’une poudre fine de liant métallique (généralement de 1 à 2 µm). Les poudres de cermet adaptées à l’HVOF/AF sont préparées à partir de ces matières premières pré-mélangées en utilisant soit le procédé de « frittage et broyage », soit le procédé « d’agglomération séchage et frittage ».

• Procédé de frittage et de broyage
  • les matières premières mélangées sont pressées en briques ou en cylindres.
  • ces derniers sont ensuite frittés à une température de 1100 à 1400°C, puis concassés. L’étape de concassage est réalisée à l’aide de concasseurs à mâchoires ou à marteaux en acier.
  • remarque : la contamination de la poudre par la poussière de fer abrasée par les concasseurs est un problème particulier de ce procédé. La poussière de fer peut se déposer à la surface des particules et n’est pas alliée à la phase de liant métallique. En conséquence, les poudres frittées et broyées peuvent produire des revêtements moins résistants à la corrosion que les poudres agglomérées et frittées.
• Agglomération et frittage
  • les matières premières homogénéisées sont dispersées dans l’eau avec un liant polymère approprié (PVA). Cette dispersion est atomisée en une poudre agglomérée par la technique de séchage par pulvérisation (spray drying).
  • le frittage s’effectue ensuite de la même manière que le processus de « frittage et de broyage », mais avec une étape initiale à plus basse température pour éliminer le liant organique avant le frittage.
  • les poudres séchées par spray drying peuvent ou non être ensuite broyées. Si un broyage est nécessaire, il peut être effectué facilement, car le matériau fritté est plus poreux et sa cohésion est plus lâche. L’utilisation d’un équipement de broyage lourd n’est donc pas nécessaire, et la contamination par le fer est évitée. Mais dans de nombreux cas, la poudre séchée par pulvérisation a une taille de particule appropriée après le frittage et n’a pas besoin d’être broyée. Ces poudres peuvent avoir l’avantage d’être de forme sphérique.

Le spray drying et le frittage sont de plus en plus utilisés notamment pour la production de poudres composites multi composants à base de métaux durs et d’oxydes mixtes comme WC-Co(Cr) et Cr3C2-NiCr pour la projection HVOF

Un bon contrôle de la teneur en carbone permet la production de microstructures dans lesquelles de petits de carbures durs (WC) de taille micrométrique ou même nanométrique sont incorporés uniformément dans la phase liante métallique.

 

2. Les procédés flamme haute vitesse

Ces procédés sont basés sur l’utilisation d’une flamme oxycombustible à haute vitesse. La combustion d’une molécule d’hydrocarbure (CxHy) est réalisée avec un oxydant, qui est soit de l’oxygène, soit de l’air dans une chambre à des pressions comprises entre 0,2 et 1 MPa, ou un peu plus pour les flammes à haute puissance alimentés en kérosène. Une buse convergente-divergente de Laval après la chambre de combustion permet d’atteindre des vitesses de gaz très élevées (jusqu’à 2 000 m/s). On utilise principalement des poudres qui sont injectées soit axialement, soit radialement, soit les deux, selon la conception du pistolet. Récemment, l’injection de liquides (suspensions ou solutions) a été développée, principalement pour l’injection axiale.

1. HVOF

Le premier pistolet HVOF a été introduit au début des années 80 par J. A. Browning. Le premier succès de la HVOF a été la projection de revêtements denses et résistants à l’usure en WC-Co. Les revêtements HVOF (métaux, alliages et cermets) sont denses, adhérents et à faible teneur en oxyde, par rapport à la projection à la flamme. La combustion se déroule dans une chambre pressurisée, refroidie à l’eau ou non, suivie d’une buse de type Laval. La pression joue sur la température de la flamme (ex : combustion stœchiométrique de méthane avec de l’oxygène à pression atmosphérique : 3 030 K ; et à 2 MPa : 3 733 K).

Le principal avantage est l’obtention de vitesses élevées du gaz jusqu’à 2 000 m/s, obtenue grâce à l’expansion du gaz chaud à travers la buse de Laval. Ces vitesses sont dites supersoniques avec l’observation de diamants de choc en aval de la buse.

L’un des premiers procédés HVOF fut le modèle Jet kote. L’injection des gaz combustibles se fait dans une chambre de combustion pressurisée et refroidie par eau. La sortie de cette chambre est à angle droit avec la buse de sortie. La poudre est introduite par un injecteur refroidi à l’eau sur l’axe du flux gazeux dans la région de la gorge. Une première évolution est l’injection axial des combustibles. Cette conception améliore l’efficacité thermique tout en assurant une injection axiale de la poudre (système de pressurisation du poudrier). Une deuxième évolution est l’injection de la poudre radialement au-delà du col, au début du canon ou dans la partie divergente de la buse. En aval de la gorge, la pression est beaucoup plus faible que dans la chambre de combustion en amont. Ainsi, l’injection des poudres à cet endroit est simplifiée et améliore l’entraînement des particules (flux plus uniforme, utilisation plus efficace de la chaleur disponible). Les données montrent que l’on peut obtenir au moins deux fois le taux de projection par unité d’énergie avec une injection radiale. Cette conception a permis d’augmenter la pression des gaz de combustion (jusqu’à 1 MPa).

De nouveaux pistolets basés tout d’abord sur la conception radiale (poudre et gaz) apparaissent :

• utilisation du kérosène à la place du gaz combustible
• utilisation de l’oxygène à la place de l’air

Puis des pistolets avec injection radiale en aval de la gorge du pistolet sont apparus.  Des puissances très élevées de près de 300 kW sont atteintes. Ces puissances entraînent d’importantes contraintes thermiques et une oxydation des composants du canon, notamment de la chambre de combustion et de la buse, pour lesquels le refroidissement par eau doit être soigneusement conçu. L’utilisation d’un combustible liquide simplifie le processus de projection, améliore la sécurité opérationnelle, et diminue les coûts.

Depuis le début des années 2000, le développement des systèmes HVOF a eu pour objectif de réduire la température des particules et à augmenter leur vitesse. Des vitesses de particules plus élevées ont été obtenues en utilisant des buses convergentes-divergentes de type Laval et des pressions de gaz plus élevées. La 3^ème génération HVOF (DJ2700, DJ2800, JP5000) permet d’obtenir les performances suivantes :

• pressions de 1 MPa (HVAF jusqu’à 2 MPa)
• vitesse de particules de 650 m/s

 

Deux types de pistolets caractérisés par la pression de la chambre :

• basse pression
  • 0,2 à 0,6 MPa avec des apports de chaleur inférieurs à 600-700 MJ.
  • alimentés en hydrogène, propylène, méthane, propane, heptane, etc. avec de l’oxygène, ou encore du kérosène avec de l’air. Débits élevés de gaz combustible (60 à 120 l/min) et d’oxygène (280 à 600 l/min).
• haute pression
  • 0,6 à 1 MPa avec des apports thermiques supérieurs à 1 GJ
  • alimentés par du kérosène combiné soit avec de l’oxygène, soit avec de l’air. Avec le kérosène, le liquide est alimenté entre 20 et 30 l/h avec des débits d’oxygène de l’ordre de 1 m³/min ou d’air jusqu’à 5 m³/min.

En projection thermique, la combustion résulte d’une réaction chimique entre des combustibles qui sont des molécules d’hydrocarbures C_xH_y (ou parfois l’hydrogène H₂) et l’oxygène (O₂). La combustion peut être étudiée soit à l’équilibre et est caractérisée par sa température, sa pression et sa composition, soit hors équilibre, correspondant à des réactions rapides où la cinétique chimique définit la propagation de la flamme au sein de l’atmosphère. La réaction de combustion implique un important dégagement de chaleur. La stœchiométrie de la réaction correspond au cas où tous les atomes de carbone et d’hydrogène sont transformés en dioxyde de carbone et en eau. La combustion est caractérisée par le rapport molaire entre le combustible et l’oxydant. La modification de ce rapport modifie principalement l’enthalpie de la réaction de combustion et donc la température maximale de la flamme.

1. HVAF

Pour de nombreux matériaux métalliques ou cermets (principalement avec carbures), l’oxydation et la décarburation partielle doivent être évitées ou fortement réduites par diminution de la température de la flamme tout en augmentant sa vitesse. Pour les métaux durs et certains autres, les combinaisons vitesse et température des particules ne permettent pas d’obtenir les propriétés de revêtement souhaitées et des paramètres économiques optimaux (débits de poudre, rendement de dépôt). C’est le cas des carbures avec une perte élevée de carbone et des transformations de phase indésirables dans les revêtements par HVOF. Par projection cold spray, les propriétés des revêtements sont loin d’être suffisantes. C’est pourquoi, le développement de nouveaux procédés de projection thermique, caractérisés par la recherche d’une combinaison optimale de vitesse / température des particules avec des débits de poudre et rendements de dépôts élevées, s’est imposée.

Après l’HVOF, J. W. Browning a développé le procédé HVAF en 1992 en remplaçant le gaz combustible par du pétrole liquide et l’oxygène par l’air. Cependant, cela nécessite des débits au moins cinq fois supérieurs à ceux de l’oxygène pur. L’azote de l’air ne participe pas à la combustion mais il doit être chauffé, ce qui entraîne des températures plus basses. Le process a été conçue pour exploiter le concept de « Hypervelocity Impact Fusion » : fusion de la matière à l’impact induite par les grandes vitesses des particules.

Le HVAF utilise de l’air comprimé et du propane principalement, par opposition au mélange du HVOF. Cela impacte les revêtements. Les deux principales améliorations par rapport au procédé HVOF sont des températures de projection plus basses et des débits massiques de poudre plus élevés :

• températures plus basses : les températures de projection plus basses permettent de « chauffer en douceur » les particules métalliques, cermets, ce qui produit un revêtement plus pur.
• débits massiques plus élevés : la vitesse de projection du procédé HVAF peut être 4 à 5 plus rapide que celle du procédé HVOF. Cela signifie que l’on déposer plus rapidement un revêtement avec une plus faible rugosité et une meilleure adhérence.
• pression de la chambre de combustion: supérieure à 0,8 MPa ce qui correspond à des débits d’air de l’ordre de 8-10 m³/min (HVOF : débits de gaz inférieurs à 1m³/min) induisant des vitesses de gaz très élevées (jusqu’à 2 000 m/s)

L’utilisation de l’air présente deux avantages :

• la température de la flamme diminue de 2850 à 1930°C
• la présence d’azote dans l’air augmente la vitesse de la flamme, et donc des particules. Ces deux effets sont avantageux dans le cas des matériaux avec carbures qui ont tendance à s’oxyder et à se décarburer (perte de carbone due à l’oxydation).

D’autres différences essentielles avec l’HVOF existent :

les rendements énergétiques :

• HVOF alimenté au kérosène : perte de chaleur considérable en raison du refroidissement par eau et de la température de combustion élevée (jusqu’à 100 kW)
• HVAF : conçu de manière que l’air comprimé assure le refroidissement. Cet air est ensuite utilisé pour la combustion, en totalité ou en partie. Par conséquent, le processus ne nécessite pas d’eau de refroidissement. Les pertes de chaleur qui en résultent sont de l’ordre de 10% de l’apport énergétique nominal.

les énergies nominales maximales :

• HVOF : apport énergétique net d’environ 150 kW maximum
• HVAF : apport énergétique nominal compris entre 100 et 400 kW. Cette grande différence dans en énergie effective disponible est la raison pour laquelle les débits massiques de poudre peuvent être jusqu’à 5 fois plus élevés dans le cas des matériaux à base de WC. Cela rend le procédé HVAF économiquement attractif.

L’un des premiers systèmes commerciaux était l’HVAF « Aerospray » (1992, 1993) de Browning qui utilisait de la paraffine comme combustible. Plusieurs modèles de pistolets étaient disponibles. Une première amélioration de la conception du pistolet HVAF est l’introduction d’un bloc brûleur perméable dans la chambre de chambre de combustion interne (1999) par Belashchenko (Metalspray). D’autres progrès ont été réalisés par la suite comme l’introduction d’un élément catalytique dans le brûleur interne en 2001 ou l’amélioration de conception du pistolet en 2011.

Cependant, des compresseurs plus grands et plus onéreux sont nécessaires, libérant de plus grandes quantités de chaleur. Un autre aspect du procédé HVAF est que l’injection de poudre est effectuée par injection axiale, de manière similaire aux systèmes HVOF (gaz). Par rapport à l’injection radiale des systèmes HVOF (liquide), cela donne plus de liberté dans le choix des poudres. Depuis quelques années, le procédé HVAF a été développé commercialement et a gagné sa part du marché en projection thermique. Les matériaux les plus utilisés sont ceux à base de carbure de tungstène.

 

3. Phénomènes d’oxydation, de décomposition et de décarburation

L’oxydation est un paramètre clé pour un procédé de projection thermique notamment pour les métaux ou composites à matrice métallique. Les particules combinées avec des carbures subissent une décomposition très sensible à l’oxydation. Également, les carbures ont également tendance à se dissoudre dans la matrice métallique lorsque sa température est trop élevée. Au sein du pistolet (chambre de combustion, buse et canon) et au cœur de la flamme, l’oxydation est présente en raison de l’excès d’oxygène. La température des particules joue un rôle clé dans le processus d’oxydation, surtout si elle est supérieure à la température de fusion.

Le degré de transformation des phases dépend de la chaleur transférée aux particules, de la température de la flamme, du combustible utilisé et du type de poudre. Les transformations de phase augmentent lorsque l’injection de la poudre a lieu dans une région où la température de la flamme est la plus élevée, où la poudre est injectée directement dans la chambre de combustion (système Top Gun). Il y a moins de transformations de phase lorsque la poudre est injectée derrière la chambre de combustion dans une région où la température de la flamme est basse (systèmes JP5000 et Top Gun K), ou lorsque la température de la flamme est abaissée par de l’air de refroidissement (systèmes DJ 2600 et 2700). L’utilisation de poudres denses qui sont moins chauffées au cours du processus de projection réduisent les transformations de phase.

Au cours de la projection HVOF, différents types de transformations de phase qui déterminent la microstructure et la chimie des revêtements interviennent. La décarburation par oxydation du WC conduit à la formation de W₂C et de tungstène dans les revêtements, tandis que la réaction du WC avec la matrice de cobalt ou de cobalt chrome conduit à une solution de tungstène et de carbure dans la matrice et peut entraîner la formation de carbures mixtes (η-phases).

De plus, la solidification rapide du matrice cobalt sursaturée (tungstène, carbone) à l’impact des particules entraîne la formation d’une matrice amorphe ou nanocristalline. La quantité de phase amorphe dans le revêtement est donc déterminée par la quantité de matériau qui fond pendant le processus de projection.

 

4. Formation des lamelles et des revêtements

Le comportement d’étalement d’une gouttelette à deux phases (solide – liquide) indique clairement que la microstructure du revêtement de cermet sera significativement influencée par la taille initiale des particules de carbure. Sous des conditions de fusion adéquates, la réaction métallurgique entre le liant fondu et les particules de carbure solides, tels que la dissolution du carbure dans la matrice du liant, et le rebond physique des plus grosses particules de carbure peut se produire pendant la projection. La vitesse élevée des particules favorise le rebond des particules de carbure les plus grandes sur la surface du substrat.

Lorsqu’une gouttelette fondue entre en contact avec le substrat, elle doit idéalement s’étaler pour former un splat en forme de disque avec une distribution d’épaisseur homogène. L’épaisseur moyenne du splat est déterminée par le nombre de Reynolds de la gouttelette, qui dépend des paramètres de la gouttelette : sa taille, sa vitesse et sa température. En supposant que les particules solides dans un flux de gouttelettes à deux phases suivent la phase liquide, l’épaisseur du splat sera influencée par la taille de la particule de carbure. Pour une gouttelette solide – liquide avec des carbures solides dont la taille est inférieure à l’épaisseur attendue du splat, l’épaisseur du splat sera déterminée par différents facteurs.

La taille et le contenu des particules en WC, la porosité de la poudre ainsi que la dureté et la rugosité du substrat peuvent tous influencer de manière significative la capacité d’aplatissement des particules impactant le substrat. Les particules poreuses présentent une meilleure capacité de déformation ou d’aplatissement à l’impact que les particules denses et, par conséquent, elles ont moins de chances de rebondir. Cependant, outre l’effet de la porosité, la taille des particules est un autre facteur clé qui détermine le comportement d’aplatissement. Pour les particules homogènes, les plus petites tendent à présenter une plus grande résistance à la déformation lors de l’impact.

Plusieurs études ont montré l’effet des dimensions du carbure sur le comportement d’aplatissement des particules à l’impact. Si la taille de la particule est beaucoup plus grande que la taille du carbure la déformabilité de la particule est régie par les propriétés équivalentes du liant et des particules de carbure. Si taille de la particule est équivalente à taille du carbure, les particules de carbure solides dominent le comportement d’aplatissement. Enfin si la taille de la particule est plus petite que la taille du carbure, la particule solide a une forme bosselée et l’épaisseur moyenne du splat est comparable à la taille des particules solides de carbure.

Pendant projection de poudres fines et nanostructurées de WC-Co par exemple, une fusion plus intense et une surchauffe partielle de la surface des particules thermosensibles se produit, tandis que la partie interne de la particule est chauffée mais reste principalement à l’état solide. Cet effet est influencé de manière significative par la porosité interne des particules qui limite la conduction de la chaleur vers le cœur de la particule. Cependant, en raison de ces effets, une région intermédiaire se forme entre le noyau solide et la particule fondue. La masse, la porosité, la forme ainsi que le rapport surface/volume des particules déterminent l’intensité de l’interaction avec le flux de gaz du procédé. Le comportement thermique des particules et leur temps de séjour (qui est lié à la vitesse des particules) contrôlent à leur tour l’état de fusion et la température des particules, et enfin l’intensité des réactions de la matrice de carbure, notamment la formation de régions de Co amorphe ou de phases mixtes ternaires.

La perte de carbure provient du rebond du carbure et/ou du dépôt sélectif de particules riches en matrice. La rugosité de la surface du substrat est un autre facteur influençant le comportement d’aplatissement des particules et, par conséquent, la vitesse de dépôt. Une rugosité plus élevée peut entraîner une contrainte de cisaillement induite plus importante sur la particule lors de l’impact, ce qui conduit à un meilleur aplatissement.

 

5. Adhérence

Lorsque l’impact d’une gouttelette fondue n’induit pas la fusion locale du substrat et la formation subséquente d’une liaison métallurgique avec lui, l’adhésion dépend principalement de l’effet de verrouillage mécanique à la surface rugueuse. L’effet des matériaux sur l’adhérence est alors limité. Par conséquent, la force adhésive du revêtement est sur une plage allant de plusieurs MPa à environ 60 MPa en fonction des conditions de surface du substrat et de la projection. Dans le cas des gouttelettes à deux phases solide-liquide qui frappent un substrat, comme dans le procédé HVOF, l’effet des matériaux de projection devient significatif. Les revêtements HVOF/HVAF présentent une excellente force d’adhérence supérieure à 70 MPa (ce qui correspond à la résistance des colles couramment utilisés pour les essais de traction). Toutes ces déformations forcées du substrat par l’impact à haute vitesse des particules à deux phases avec des particules solides conduisent à la formation d’un fort effet de verrouillage si la fusion des particules est très limitée. Cet état diphasique contribue de manière significative à la bonne adhérence des revêtements et cette état est une condition nécessaire pour déposer des revêtements d’adhérence élevée.

Les impacts à haute vitesse conduisent à une action de martelage de la surface et des particules précédentes. Cela compacte les particules situées en dessous réduisant la porosité. Cela entraîne aussi des contraintes résiduelles de compression dans les revêtements. Des mesures ont révélé que la contrainte résiduelle à la surface des revêtements HVOF est faible, souvent en tension, mais que la contrainte à l’intérieur des revêtements est à un niveau élevé de compression. Cette faible valeur à la surface reflète l’absence d’effet de martelage « peening effect » de la dernière couche déposée.

 

6. Paramètres et propriétés

La dureté et la force d’adhérence des revêtements sont principalement déterminées par la vitesse d’impact des particules, et sont, par conséquent, plus élevées lorsque des systèmes sont équipés d’une buse de Laval convergente-divergente qui offrent des vitesses de particules supérieures.

La porosité des revêtements est également affectée par le comportement de fusion des particules. Les poudres denses, produites par frittage ou la fusion, sont difficiles à faire fondre dans le procédé HVOF. Ainsi, les revêtements avec ces poudres présentent une porosité plus élevée, en particulier lorsque les systèmes utilisés offrent un chauffage assez faible des particules.

Les particules de carbure influencent significativement les performances des revêtements cermet. La taille des particules et la teneur en carbure dans un revêtement cermet sont deux paramètres déterminant pour la résistance à l’usure par abrasion. En utilisant une poudre avec de petits carbures, un nombre substantiel de particules de carbure peuvent être retenues dans le revêtement, ce qui permet d’améliorer les performances en matière d’usure.

En raison de leur masse plus faible, les fines granulométries peuvent être accélérés plus rapidement dans le jet de gaz du procédé HVOF et donc atteindre des de particules plus élevées. Ainsi, les revêtements deviennent plus denses et présentent une rugosité plus faible. Une plus grande proportion peut être convertie en phase fondue par rapport aux poudres conventionnelles ou nanostructurées. Par conséquent, une meilleure déformation et un meilleur enrobage des particules dans le revêtement. Pour la même raison, les agglomérats fins perdent aussi plus rapidement leur vitesse et leur température lorsqu’ils sont projetés.

Les revêtements HVAF présentent une porosité plus faible et des carbures primaires plus fins et bien répartis : libre parcours moyen relativement plus faible. L’utilisation de poudres fines produit des revêtements plus durs, avec une meilleure résistance à la rupture par exemple et un module élastique plus élevé. Les procédés HVOF et HVAF sont tous deux capables de produire des revêtements présentant des propriétés tribologiques satisfaisantes qui sont en mesure de répondre aux applications industrielles. La sélection du procédé de dépôt et de la poudre doit se faire en fonction de l’application spécifique, étant donné que des conditions tribologiques distinctes peuvent engendrer des propriétés de revêtement différentes.

 

7. L’essentiel

Le procédé HVOF permet d’obtenir des revêtements à haute densité en raison de l’énergie d’impact élevée des particules (entre 400 et 650 m/s). Les courts temps de séjour des particules à des températures assez basses (en augmentant le débit de gaz) permet de déposer des particules légèrement en dessous de la température de fusion, réduisant ainsi l’oxydation et la décomposition des matériaux tels que le WC. Les particules ont une meilleure adhérence grâce à la vitesse d’impact élevée et une moindre dégradation des matériaux projetés. Ainsi, ces revêtements présentent une meilleure résistance à l’usure et une plus grande dureté que les revêtements projetés par flamme ou par plasma. Avec la troisième génération de pistolets, on obtient une porosité suffisamment faible pour que ces revêtements puissent être utilisés pour la protection contre la corrosion. Les revêtements présentent principalement une contrainte résiduelle de compression, alors que ceux projetés par flammes ou par plasma sont souvent des contraintes de traction.

Le procédé de projection HVAF, est un procédé flamme à haute vitesse utilisant l’air comme gaz oxydant. Le concept permet aux particules d’être projetées à une température inférieure ou voisine de leur point de fusion, mais avec des vitesses de élevées, de sorte que la déformation plastique à l’impact devient possible permettant la formation d’un revêtement. Le procédé HVAF est plus froid et plus rapide par nature, avec un apport d’énergie nominale plus élevé que le HVOF. La température plus basse de la flamme et la vitesse accrue des particules ont pour effet que la fusion de la matrice métallique peut être contrôlée de manière qu’elle ne soit fondue uniquement pendant l’impact sur le substrat, et non dans la flamme. Pour cette raison, on peut s’attendre à ce que, par rapport au procédé HVOF, il y ait moins d’oxydation et de décarburation.