Etude du développement de la projection plasma sous très basse pression

Study on Development of Very Low Pressure Plasma Spraying

• Auteur / Autrice : Pengjiang He
• Direction : Frédéric Lapostolle, Hanlin Liao
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance le 05/12/2014
• 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
• Jury : Président / Présidente : Mohamed-Abdou Djouadi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Lapostolle, Hanlin Liao, Mohamed-Abdou Djouadi, Lech Pawlowski, Nathalie Alain
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lech Pawlowski, Nathalie Alain

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plasmas froids

Projection au plasma

Mots clés libres

Projection plasma de suspension sous basse pression

Spectroscopie à l’émission optique

Microstructure composite

Projection plasma réactif sous basse pression

Nanoindentation

Microdureté

Suspension plasma spraying at low pressure

Optical emission spectroscopy

Composite microstructure

Reactive plasma spraying at low pressure

Nano-indentation

Microhardness

Résumé

La technologie de projection plasma sous basse pression a attiré l’attention de nombreux chercheurs comme une nouvelle technique qui permet d’établir un pont entre la projection thermique conventionnelle et le dépôt physique en phase vapeur. Ainsi, cette technologie étend les limites de projection thermique classique et augmente également la vitesse de croissance des dépôts par rapport aux procédés PVD ou CVD classiques. Cette technique peut évaporer totalement ou partiellement les poudres injectées et mener à la réalisation de revêtements à microstructure colonnaire et/ou plus denses, difficiles à réaliser avec des procédés de projection thermique conventionnels. La projection plasma de suspension a été effectuée pour la première fois sous basse pression. L’injection axiale de suspension avec une torche tri-cathodes permet d’augmenter l’échange enthalpique entre le jet de plasma et les poudres après l’évaporation du solvant. La spectroscopie à l’émission optique (OES) a été utilisée pour estimer la température électronique et vérifier l’existence de phase vapeur d’YSZ dans le jet de plasma. Finalement, des revêtements plus denses furent réalisés (comparés à ceux préparés par projection plasma de suspension à pression atmosphérique présentant des particules fondues, agglomérées et de la condensation de vapeur. Des tests de nano-indentation instrumentée ont été effectués sur la surface polie des dépôts réalisés. Les résultats montrent des valeurs de 5,8 GPa pour la dureté et 114,5 GPa pour le module d’élasticité, augmentant de 61% et 31%, respectivement, en comparaison avec les valeurs obtenues par SPS sous atmosphère ambiante. Les essais de projection de poudre YSZ agglomérée ont été réalisés avec une torche F4-VB dans le but de synthétiser une phase vapeur d’YSZ. On observe que les dépôts peuvent se former derrière les échantillons en céramique, sans vis-à-vis du plasma, par condensation de vapeur. En face de cette torche, des revêtements composites ont été obtenus par un mélange de poudres fondues et condensation de vapeur, simultanément. Cependant la quantité de phase vapeur est très faible dans le jet de plasma. Pour comprimer ce jet sous basse pression et afin d’améliorer l’échange d’enthalpie entre le jet de plasma et les poudres injectées, une buse rallongée a été mise en place sur la torche F4-VB. Les revêtements présentent ainsi une microstructure plus dense. Ceci est attribué à la haute vitesse des particules fondues vers le substrat suite à l’utilisation de la buse modifiée. Ce type de revêtement montre une valeur maximale de microdureté Vickers de 1273 Hv100 g. Par ailleurs, la réalisation de dépôts de carbures a été effectuée. Les résultats montrent la possibilité de former des carbures par projection plasma sous basse pression. Les revêtements composites (TiC/Ti) sont déposés par projection plasma réactif sous basse pression en utilisant le méthane comme gaz porteur. La température électronique Te calculée est d’environ 6200 K selon les résultats d’OES, ce qui est supérieur à la température d’ébullition du Ti et de TiC. Le revêtement de Ti pur présente une microstructure dense alors que TiC/Ti présente une microstructure lamellaire. Cependant, la quantité de TiC dans les revêtements est d’environ 20 vol.%. La microdureté Vickers, effectuée sur surface polie, a tendance à diminuer de 846±152 à 773±86 Hv100 g avec l’augmentation de la distance de projection.

As a new technology, the very low pressure plasma spraying has attracted attentions of many researchers, making it possible to establish a bridge between the conventional atmospheric plasma spraying (APS) and the vapor deposition (PVD or CVD). As a result, this new technology enlarges the limitation of APS and increases the deposition rate in comparison with the PVD or CVD. It is possible to evaporate partially the injected material and even evaporate completely and finally realize the columnar or dense coatings from the vapor or the mixture of vapor and liquid. The suspension plasma spraying is performed for the first time at low pressure. Taking consideration of the configuration of the three-cathode torch, the axial injection of the suspension is conducted which can increase the enthalpy change between the plasma jet and the sprayed material. The data of optical emission spectroscopy (OES) could be used to calculate the electron temperature and verify the existence of vapor of YSZ in the plasma jet. Finally, the dense coating was prepared by suspension plasma spraying at low pressure, which is composed of the melted particles, the agglomerated particles and the vapor deposition. The test of nano-indentation is conducted on the polished surface. It shows a value of 5.8 GPa for the microhardness and 114.5 GPa for the elastic modulus, increasing 61% and 31%, respectively, compared with the values obtained by SPS in the ambient atmosphere. In this study, another torch F4-VB is also conducted even of it has a low power in compared with that of O3CP torch. The powder feed rate is reduced to about 1.5 g·min-1 to achieve the vapor of YSZ taking the low power input of the torch into consideration. The columnar structure coating is realized from vapor deposition out of line of sight of projection upon the ceramic tubes. The composite structure coating is deposited by the mixture of melted particles and the vapor deposition simultaneously in front of this torch. But the quantity of vapor of YSZ is low in plasma jet. In order to compress the larger plasma jet and then improve the enthalpy change between the plasma jet and sprayed particles, an extended nozzle is prepared. It shows that the coating has a dense structure, which can be attributed to higher velocity of the melted powders. The coating shows a maximum value of microhardness Vickers up to 1273 Hv100 g. The composite coating of TiC/ Ti is realized by reactive plasma spraying using the methane as the carrier gas. The electron temperature Te is calculated to be 6200 K, which is over the boiling point of TiC and Ti. The coating Ti shows a dense structure and the composite coating TiC/Ti shows a lamellar structure. But the quantity of TiC in the composite coating is very low, about 20 vol.%. The Vickers microhardness is performed on the polished surface. It shows a decreasing tendency from 846 ± 152 to 773 ± 86 Hv100g with the increase of spraying distance. The tribological test is also implemented showing a high value of the coefficient of friction of 0.78 to 0.85, which can lead to a high abrasion. In order to synthesize a larger quantity of TiC in the composite coating, a higher power input torch should be put into action in the future.