Développement de modèles thermomécaniques de construction de dépôts obtenus par projection thermique : modèle mécano thermique de l’étalement de la gouttelette

par Khalid Fataoui

Thèse de doctorat en Matériaux céramiques et traitements de surface

Sous la direction de Bernard Pateyron et de Hassan Rhanim.

Soutenue en 2007

à Limoges en cotutelle avec l'Université Chouaib Doukkali , en partenariat avec Université de Limoges. Faculté des sciences et techniques (autre partenaire) .

mots clés

• Impact de gouttes
• Résistance thermique de contact
• Vitesse de refroidissement
• Projection au plasma
• Contraintes résiduelles
• Gouttes
• Refroidissement
• Dépôts physiques

Résumé

Pour comprendre la structure des dépôts obtenus par projection thermique, il est crucial d'étudier les phénomènes dynamiques et thermiques à l'échelle des particules qui s’écrasent sur le substrat, puis s'étalent et se figent par refroidissement au contact de la cible. En effet les propriétés thermomécaniques des revêtements réalisés par projection thermique sont liées à la qualité du contact entre les lamelles empilées les unes sur les autres. Ce contact dépend de l'impact de la goutte et varie de façon importante en fonction des propriétés physiques de celle-ci (taille, température, vitesse, …) et de celles du substrat (nature, température, morphologie. . . ). Un grand nombre de phénomènes parasites sont induits lors de l'élaboration de ces revêtements. Ainsi, les dépôts obtenus par projection thermique sont le siège de contraintes mécaniques résiduelles qu’il convient de comprendre de façon qualitative et d’évaluer quantitativement. Les modèles numériques donnent un support pour prédire, interpréter et expliquer les résultats expérimentaux en ce qu'ils permettent d'accéder à des grandeurs difficilement mesurables. Le processus d'écrasement et d’étalement d'une goutte sur une surface solide reste encore un phénomène complexe et mal maîtrisé. Cependant cette étude permet une avancée sensible dans la compréhension de l'étalement par écoulement de la particule liquide et des interactions entre phases solides et liquides d’une part et d’autre part entre gouttes qui s'écrasent simultanément sur la surface solide l'une à côté de l'autre ou bien l'une après l'autre. Elle décrit les méthodes de résolution numérique des équations thermomécaniques d’impact des gouttes liquides (cuivre, zircone, émail) sur des substrats solides et en valide les résultats obtenus par comparaison avec ceux, tant expérimentaux que numériques, obtenus par d'autres auteurs.

Titre traduit

Thermo mechanical models of coating building obtained by thermal spray : thermo mechanical model of the droplet spreading out

Résumé

To understand the structure of the coatings obtained by thermal projection, it is crucial to study the dynamic and thermal phenomena on a particle scale which is crushed on the substrate, then spread and solidifies by cooling in contact with the target. The thermo mechanical properties of the coatings carried out by thermal projection are related to the quality of the contact between the layers piled up the ones on the others. This contact depends on the impact of the drop and varies in an important way according to its physical properties (size, temperature, velocity, etc. ) and of those of the substrate (nature, temperature, morphology, etc. ). A great number of phenomena are induced during thermal spray process. Coatings are seat of residual mechanical constraints which it is advisable to understand in a qualitative way and to evaluate quantitatively. The computational models give a support to predict, interpret and explain the experimental results (particularly at scales not easily accessible to measurability). The process of spraying and spreading of a drop on a solid surface remains a complex phenomenon and difficult to control. However this study allows a sensitive advance in the comprehension of the flow of the liquid particle and the interactions between solid phases and liquids on the one hand and on the other hand between drops which are simultaneously sprayed on solid surface or on early sprayed layers. It describes the solution methods of the thermo mechanical model of drops impact (copper, zirconia, enamel) on solid substrates, and valid the obtained results by comparison with available experimental and numerical ones.