Etude de la déformation particule/substrat au mécanisme de liaison en projection à froid

Improvement of the coating properties deposited by cold spray and developed for different industriel applications

• Auteur / Autrice : Yingchun Xie
• Direction : Marie-Pierre Planche
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance le 16/12/2016
• Etablissement(s) : Belfort-Montbéliard
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IRTES. LERMPS - Laboratoire d'Études et de Recherches sur les Matériaux- les Procédés et les Surfaces / IRTES - LERMPS
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de technologie de Belfort-Montbéliard (1999-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Denoirjean, Philippe Bertrand, Rija Nirina Raoelison, Philippe Hervé, Damien Giraud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alain Denoirjean, Philippe Bertrand

Mots clés

Mots clés contrôlés

Couches minces

Mots clés libres

Projection à froid

Mécanisme de liaison

Film d'oxyde

Liaison métallurgique

Ramollissement thermique

Cold spraying

Bonding mechanism

Oxide film

Metallurgical bonding

Thermal softening

Résumé

La projection à froid, aussi appelée cold spray, est considérée comme un nouveau membre de la famille de laprojection thermique depuis une trentaine d'années maintenant. Cette thèse propose d'étudier le comportement endéformation des particules et du substrat et de mettre en avant les liaisons formées dans le revêtement par deuxapproches complémentaires, expérimentale et de simulation.Une méthode innovante pour observer directement la surface fracturée des particules déposées après décollementdu substrat a été testée avec succès. Par ce moyen, la surface de contact entre particule et substrat sousdifférentes conditions a été analysée.Concernant les résultats expérimentaux, une nouvelle théorie a été proposée pour expliquer le mécanisme deliaison interfaciale d'un revêtement dur de Ni sur substrat mou d'Al reposant sur l'effet de martelage répété desparticules, sur l'effet de pression du gaz principal et sur l'effet de préchauffage du substrat. La transformation dumécanisme de liaison revêtement/substrat au cours de la construction du dépôt a été mise en évidence en passantdu verrouillage mécanique à une combinaison d'une liaison mécanique et d'une liaison métallurgique, puis à laformation d'instabilités sous forme d'un mélange tourbillonnaire à l'interface. Plus de zones de liaisonsmétallurgiques sont générées sous forte pression, une plus grande déformation plastique apparaît grâce latempérature de préchauffage, et une adhérence plus forte au sein des dépôts est capable de se produire en dépitde la présence d'un film d'oxyde épais sur la surface du substrat.

Cold spraying, also called cold gas dynamic spraying, is a new coating technology which has been developed duringthe past three decade. In this study, a comprehensive investigation on particle deformation behavior and bondingbehavior between particle and substrate was conducted by experiment and numerical method.This thesis aims at presenting an innovative method to directly observe the fractured contact surface between thecold sprayed particle and substrate. By this means, the particle/substrate fractured contact surfaces were analyzedfor different conditions.Based on the experimental results, a new theory was proposed to explain the interfacial bonding mechanism of hardNi coating onto soft Al substrate. It is assumed that the particle peening effect is essential for the formation ofdiscontinuous metallurgical bonding. The dominant coating/substrate bonding mechanism is responsible of thetransformation during the coating build-up process of the initial mechanical interlocking to a combination ofmechanical interlocking and metallurgical bonding therefore of the formation of interfacial instabilities. The highcontact pressure is the relevant factor determining the particle/substrate metallurgical bonding. More metallurgicalbonding areas were generated due to strengthen peening effect of the subsequently deposited particles with higherpropelling gas pressure. Finally, stronger adhesion is able to occur despite the presence of a thick oxide film on thesubstrate surface by the preheating of the substrate. Higher temperatures help the materials to undergoes astronger plastic deformation that disrupts the oxide films. That leads to initiate an intimate contact between particleand substrate.