Projection assistées par faisceaux laser

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®) 

Lasers présents au LERMPS pour le procédé PROTAL®

Lasers présents au LERMPS pour 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 

Dispositif de texturation laser en configuration de traitement interne (a) ou en surface (b)

Dispositif de texturation laser en configuration de traitement interne (a) ou en surface (b)

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.

Création de motifs par traitement laser en surface

Création de motifs par traitement laser en surface

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.

Résultats d'adhérence obtenus par test de traction adhérence (ASTM C633) pour le couple NiAl/Al2017 avec différentes préparations de surface (sablage, texturation de 100 à 300 µm d'espacement entre les trous)

Résultats d’adhérence obtenus par test de traction adhérence (ASTM C633) pour le couple NiAl/Al2017 avec différentes préparations de surface (sablage, texturation de 100 à 300 µm d’espacement entre les trous)