Procédé de projection plasma en mode pulsé associé à une injection jet d'encre synchronisée : mise au point, processus en vol et élaboration de dépôts céramiques

Pulsed plasma spraying synchronized with an inkjet printhead : Development, in-flight process and elaboration of ceramic coatings

• Auteur / Autrice : Fabrice Mavier
• Direction : Vincent Rat, Martine Lejeune, Marguerite Bienia
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux Céramiques et Traitements de Surface
• Date : Soutenance le 01/12/2017
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science des Procédés Céramiques et de Traitements de Surface (1998-2011)
• Jury : Président / Présidente : Christelle Tixier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Rat, Martine Lejeune, Marguerite Bienia, Pascal André, Flavien Valensi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Pierre Planche, Jean-Marc Bauchire

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dépôts céramiques

Fusion au plasma

Projection au plasma

Mots clés libres

Projection plasma de solutions

Plasma d'arc pulsé

Injection jet d'encre

Solution precursor plasma spraying

Pulsed arc plasma

Inkjet injection

Résumé

Dans le domaine des dépôts réalisés par projection thermique, les dernières recherches ont permis de développer des dépôts nanostructures par projection de suspensions (SPS) ou de solutions de précurseurs (SPPS). L’injection de liquide est une technique prometteuse qui a le potentiel pour devenir industriellement viable. Cependant, un meilleur contrôle des interactionsplasma/matériaux est nécessaire. En effet, les torches à courant continu mono-cathodes génèrent un plasma fortement fluctuant qui modifie les transferts thermiques et dynamiques vers les gouttelettes injectées, entraînant un traitement non-homogène de ces dernières. Cela influence directement les microstructures des dépôts obtenus et leurs propriétés. Des travaux antérieurs ont montrés les origines de ces instabilités. Une alternative à l’atténuation de ces instabilités est proposée : le renforcement et la modulation. L’ajustement des paramètres opératoires a permis d’obtenir un plasma pulsé laminaire avec modulation de ces propriétés. Une torche à courant continu modulé de faible puissance est utilisée avec de l'azote pur comme gaz plasmagène. Ce dispositif est synchronisé avec un système d'injection jet d’encre Drop-On-Demand pour reproduire les mêmes conditions d'interactions plasma / matériau pour chaque gouttelette injectée. Des solutions et des suspensions sont injectées pour réaliser des dépôts homogènes avec une microstructure contrôlée. Les objectifs de ces travaux sont d'abord de caractériser et de comprendre les transferts thermiques et dynamiques plasma / gouttelettes. Deuxièmement, de mettre en évidence l'influence de la synchronisation et des paramètres opératoires sur les dépôts obtenus.

In the field of thermal spray coating processes, research has led to the development of nanostructured coatings by suspension plasma spraying (SPS) and precursor solution plasma spraying (SPPS). Liquid injection are promising techniques with the potential to become industrially viable. However, a better control of plasma/material interactions is necessary. Mono-electrode DC torches indeed generate strongly fluctuating plasma that modifies the thermal and dynamic transfers to the injected droplet, resulting in an inhomogeneous treatment of the latter. This directly influences the texture and microstructure of deposits and subsequently their properties. Previous works have shown the origins of these instabilities. As an alternative to instabilities attenuations, a new approach is proposed: the reinforcement and modulation of the instabilities. The adjustment of process parameters has allowed obtaining a pulsed laminar plasma with a modulation of its properties. A low powered home-made modulated DC torch is used and operates with pure nitrogen as plasma forming gas. This device is synchronized with a Drop-On-Demand injection system to reproduce the same conditions of plasma/material interactions for each injected droplet. Solutions and suspensions are injected to make homogeneous coatings with controlled microstructure. The objectives of this work are firstly to characterize and understand plasma / droplet heat and dynamics transfers. Secondly, to highlight the influence of the synchronization and operating parameterson the coatings obtained.