Elaboration par projection plasma d'un revêtement céramique sur ...

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Chapitre II : Réalisation d’un dépôt céramique par projection plasma – Revue bibliographique dans un plasma thermique des nano ou micro particules en suspension grâce à un liquide porteur. Les revêtements présentent alors une structuration à l’échelle submicronique. Des travaux antérieurs [26], [27] ont montré que ce type de dépôt ne semblait pas nécessiter de préparation spécifique de la surface pour obtenir l’adhérence de la couche. Cependant, cette remarque doit être pondérée car cela ne se vérifie que pour des couches d’épaisseur faible (< 100 µm). La réalisation d’un revêtement céramique épais (de l’ordre de 500 µm) comme protection thermique sur un substrat lisse et mince (1 mm d’épaisseur) requière une procédure spécifique. Pour la mettre au point, le procédé ne peut être géré comme une « boite noire » et il est nécessaire de comprendre et si possible contrôler le comportement des particules depuis leur injection dans le jet de plasma jusqu’à leur impact sur le substrat et leur empilement pour former le revêtement. Cette compréhension repose sur la connaissance du fonctionnement de la torche plasma, de l’interaction des particules et des gouttes avec le jet de plasma puis avec le substrat, et enfin des phénomènes physiques et mécaniques régissant l’empilement des particules et la formation du revêtement. Dans ce chapitre nous développons les points qui nous ont parus essentiels à maitriser pour développer la procédure de dépôt. Ainsi, la première partie s’intéresse aux modes de fonctionnement de la torche plasma, de la génération de l’arc électrique jusqu’à l’établissement de l’écoulement plasma, et à l’influence des paramètres opératoires sur son fonctionnement. La deuxième partie porte sur la préparation d’une surface avant dépôt. Enfin, la dernière partie est consacrée à la réalisation d’un revêtement par projection plasma, par la voie classique, c'est-à-dire en injectant une poudre dans le jet de plasma ou en injectant une suspension ; elle traite de l’interaction plasma-particules ou plasma-liquide ainsi que de l’impact des particules sur le substrat et la formation du dépôt. De nombreuses études et revues bibliographiques ont déjà traités ces sujets, aussi nous nous limiterons à mettre en avant les points clefs en se référant aux travaux de la littérature. B.2. Principe de fonctionnement de la torche Afin de maitriser les propriétés du revêtement, qui sont directement liées à l’architecture de la couche et donc à l’empilement des particules, il est nécessaire de maitriser le traitement de ces dernières dans l’écoulement plasma. Ce traitement dépend, outre des conditions d’injection, des propriétés thermiques (température et conductivité thermique) et dynamiques (viscosité et vitesse) du jet de plasma. Une torche à plasma d’arc soufflé permet de produire un flux fortement enthalpique (densité d’énergie : 10 6 - 10 7 J/m 3 ) grâce à la dissipation par effet Joule dans un flux gazeux de l’énergie fournie par un arc électrique. En effet, lorsque l’arc électrique s’établit entre la cathode et l’anode concentrique servant de tuyère, une partie de son énergie est transférée à l’écoulement gazeux et permet l’ionisation partielle du gaz (densité électronique > 10 22 m -3 ) et - 54 -
Chapitre II : Réalisation d’un dépôt céramique par projection plasma – Revue bibliographique la création d’un écoulement plasma. Les températures de cet écoulement sont supérieures à 6000 K ; elles s’accompagnent d’une forte diminution de la densité du gaz (environ 30 fois moins importante que celle d’un gaz froid) ; et des vitesses d’écoulement subsoniques mais pouvant atteindre 1800 m.s -1 ou plus en sortie de tuyère selon les conditions expérimentales. En règle générale, une torche plasma est essentiellement constituée d’une cathode en tungstène thorié (2% en masse de thorine) thermo-émissive et d’une anode en cuivre, avec éventuellement un insert en tungstène pour protéger la tuyère et limiter son érosion. Ces électrodes sont refroidies par circulation d’eau sous pression (0,15 à 0,2 MPa) afin d’évacuer l’énergie thermique reçu en surface (environ 40 à 50% de la puissance électrique fournie à l’arc) par l’arc électrique. Figure B.2-1 : Schéma d’une torche de projection type F4 de SULZER-METCO B.2.1. L’arc électrique B.2.1.1. Génération Le développement de l’arc entre les électrodes peut être décrit en plusieurs zones, présentées sur la Figure B.2-2 [28]. - 55 -
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