Etude expérimentale de l’impact et de la solidification de gouttes céramiques et métalliques de tailles micrométrique et millimétrique sur différents types de substrats : Compréhension du mécanisme de formation des dépôts par projection thermique
par Simon Goutier
Thèse de doctorat en Matériaux céramiques et traitements de surface
Sous la direction de Michel Vardelle et de Jean-Claude Labbe.
Soutenue en 2010
à Limoges , en partenariat avec Université de Limoges. Faculté des sciences et techniques (autre partenaire) .
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Résumé
La projection plasma permet de fondre des particules micrométriques dont l’écrasement sur le substrat (en 1 μs) forme le dépôt par empilement de lamelles. L’adhésion du dépôt est primordiale et ce travail est consacré à la forme des lamelles sur un substrat lisse. Les paramètres étudiés sont d’une part la vitesse, la température, l’influence de l’oxydation de la particule en vol thermique et d’autre part les caractéristiques du substrat (température, oxydation, propriété du substrat). Nous avons utilisés deux matériaux projetés (Al2O3, NiA1) et deux substrats dont les couches d’oxydes sont de quelques dizaines de nanomètre : 304L et Ti-6242. Pour les particules micrométriques, des photos sont prises à différents temps d’étalement et différentes particules avec des caractéristiques proches. Un dispositif de chute libre modifié (plage de vitesse augmentée) est utilisé pour générer des particules millimétriques et ainsi observer avec plus de précision l’étalement. Il a été mis en évidence la répartition de la matière sur la surface. Une loi d’étalement a été déduite de tous les résultats pour prédire le diamètre maximum d’étalement suivant l’état de la surface. L’étude chronologique de l’étalement a mis en évidence différents types d’éjections, soit à l’impact, soit au cours de l’étalement. Dans le cas d’un substrat froid, les éjections à l’impact (angle d’éjection maximal de 45°) résultent de la désorption des espèces présentes à la surface du substrat. Les éjections perpendiculaires résultent du rebond d’un coeur solide au moment du contact avec le substrat. Les études chimiques ont mis en évidence la modification de la chimie de surface du substrat du fait de l’impact et de l’étalement de la particule.
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Titre traduit
Experimental study of the impact and solidification of millimeter and micrometer sized ceramic and alloy drops on different substrates : understanding of the spray process mechanisms
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Résumé
The plasma spray allows melting micrometric particles which flatten on one μs onto the substrate to build the coating by pile of lamellae. The coating adhesion is essential and this work is centred on the lamellae shape onto a smooth substrate. The studied parameters are on one hand the speed, the temperature, the influence of the oxidation of the particle in flight and on the other hand the substrate characteristics (temperature, oxidation, and substrate properties). We used two sprayed materials (Al2O3, NiA1) and two substrates which the oxide layers are some tens of nanometre: 304L and Ti-6242. For the micrometric particles, photos are taken at different spreading time and various particles with close characteristics. A free-fall device modified, to increase impact velocity, is used to generate millimetre scale particles and so observe with more precision the particle flattening. The matter distribution on the surface was brought to light. A spreading law was deducted from all results to predict the maximum spreading diameter following the substrate surface state. The chronological study of the spreading brought to light various types of ejection, either at the impact, or during the spreading. In the case of a cold substrate, the ejection at the impact (maximal ejection angle of 45°) result from the desorption of adsorbats and condensates present on the substrate surface. The perpendicular ejection result from the rebound of a solid heart at the impact. The chemical studies brought to light the chemistry modification of substrate surface during the particle flattening.
