Modélisation et dimensionnement d'un procédé de dépôt physique en phase vapeur assisté par plasma thermique

Modeling and design of a physical vapor deposition process assisted by thermal plasma (PS-PVD)

• Auteur / Autrice : Khalil Jaafar
• Direction : Gilles Mariaux, Christophe Chazelas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux Céramiques et Traitements de Surface
• Date : Soutenance le 20/10/2022
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie (Limoges ; 2022-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche sur les CERamiques
• Jury : Président / Présidente : Jean-Marc Bauchire
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gilles Mariaux, Christophe Chazelas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rija Nirina Raoelison, Ludovic Hallo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Projection au plasma

Dépôt en phase vapeur

Mots clés libres

PS-PVD

Plasma

Dépôt

Barrières thermiques

PS-PVD

CFD

DPM

Coating

Thermal barrier coatings (TBC)

Résumé

Le procédé de dépôt physique en phase vapeur assisté par plasma thermique (PS-PVD) consiste à évaporer le matériau sous forme de poudre à l’aide d’un jet de plasma d’arc soufflé pour produire des dépôts de structures variées obtenus par condensation de la vapeur et/ou dépôt des nano-agrégats. Dans le procédé de PS-PVD classique, l’intégralité du traitement du matériau est réalisée dans une enceinte sous faible pression, ce qui limite les phénomènes d’évaporation ou nécessite d’utiliser des torches de puissance importante. Dans ce travail, initié par D. Ivchenko (2018), une extension du procédé de PS-PVD conventionnel à un procédé à deux enceintes est proposée puis explorée par voie de modélisation et de simulation numérique : la poudre est évaporée dans une enceinte haute pression (105 Pa) reliée par une tuyère de détente à une enceinte de dépôt basse pression (100 ou 1 000 Pa), permettant une évaporation énergétiquement plus efficace de poudre de Zircone Yttriée de granulométrie élevée, tout en utilisant des torches de puissance raisonnable. Ces travaux se sont focalisés sur l'optimisation de l'évaporation de la poudre par un modèle validé. A l'issu d'une bibliographie approfondie, un modèle du traitement thermocinétique des particules par l'écoulement plasma, a été sélectionné par comparaison avec les résultats expérimentaux. L’exploitation de ce modèle dans des simulations de la chambre haute pression a permis d’optimiser l’évaporation de la poudre et d’étudier différentes configurations géométriques qui permettaient de séparer le flux de vapeur des particules non totalement évaporées, et ce, afin d’éviter le colmatage de la tuyère.

The process of plasma spray-physical vapor deposition (PS-PVD) consists in evaporating the material in powder form using a DC plasma jet to produce coatings by condensation or deposition of nanoaggregates. In the conventional PS-PVD process, all the material treatment takes place in a medium-vacuum atmosphere, which limits the evaporation and requires the use of high-power torches. In this work, an extension of the conventional PSPVD process to a two-chamber process is proposed and then explored by means of numerical modeling and simulation. The powder is evaporated in a high-pressure chamber (10⁵ Pa) connected by an expansion nozzle to a low-pressure deposition chamber (100 or 1 000 Pa), enabling more energy-efficient evaporation of YSZ powder of high particle-size, while using torches of reasonable power. The operating conditions favoring the evaporation of the powders were obtained from experiments. A discrete-phase model, which takes in account the powder-plasma interactions, was selected with respect to the experimental results. This model allowed to i) optimize the evaporation of the powder and ii) study different geometry configurations in order separate the flow of vapor from the not fully evaporated particles and avoid nozzle clogging.