Diagnostics of dc Plasma Jet Under Low Pressure Conditions
Diagnostics d'un jet plasma d'arc soufflé sous très faible pression
Résumé
At all times, PVD technology (Physical Vapor Deposition) and Plasma Spray were considered very different from each other: the PVD technology is used under very low pressures (about 10-1 mbar) with very low deposition rates (several µm per hour), which is allowed to obtain thin and regular coating (several µm). However the thermal spray technology is carried out at atmospheric pressure or partial vacuum (tens of mbar) with large deposition rates (tens of µm per minute), which is allowed to obtain thick coating (hundreds of µm) but it exists influence of roughness. This thesis contributes to the development of a new thermal spraying process under low pressure to obtain coatings from condensation of vapor or coatings of mixed vapor-particles. The idea is to research the influence of operating parameters on the properties of the plasma jet and then use these results to confirm the best conditions for obtaining coatings. Two diagnostic methods were selected for this study: emission spectroscopy and enthalpy probe. The vacuum chamber has been instrumented with emission spectrometer (Triax 190, Jobin Yvon) and software used for the identification of acquired spectral lines. Meanwhile, a modified enthalpy probe (ENT-PLC, Tekna) was realized to measuring the plasma flux at low pressures. Some tests were performed with two low-power torches which are developed and commonly used in laboratory for VPS (Vacuum Plasma Spray). Various experimental parameters were tested to find out the operating parameters of the plasma torch (current intensity and flow of hydrogen gas) and environmental parameters (pressure in the chamber and detecting distance). Finally, these different projections were realized to achieve metal coatings at first and then obtain ceramic coatings. It was shown that under certain conditions the fine microstructures appeared in the coatings which were compared with those in the PVD technology.
De tous temps, les techniques PVD (Physical Vapor Deposition) et projection (Plasma Spraying) ont été considérées comme très différentes l'une de l'autre : la technique PVD s'exerce sous très basses pressions (de l'ordre de 10-1 mbar) avec des vitesses de dépôt très faibles (qq. µm par heure) et permet d'obtenir des dépôts (qq. µm) très minces et en principe très réguliers alors que la technique de projection thermique s'exerce à pression atmosphérique ou sous vide partiel (qq. dizaines de mbars) avec des vitesses de dépôt importantes (qq. centaines µm par minute) et permet d'obtenir des dépôts épais (qq. centaines de µm) avec cependant des rugosités importantes. Il s'agissait durant ce travail de thèse de contribuer au développement d'un nouveau procédé de projection thermique fonctionnant sous basse pression afin d'obtenir des dépôts issus de condensation de vapeurs ou des dépôts mixtes vapeurs-particules. L'idée est de mettre en évidence l'incidence de certains paramètres opératoires sur les propriétés du jet et d'utiliser ensuite ces résultats pour définir les conditions les meilleures pour la réalisation des dépôts. Deux méthodes de diagnostic ont été retenues pour cette étude : la spectroscopie d'émission et la sonde enthalpique. L'enceinte de projection sous vide a donc été instrumentée d'un spectromètre d'émission (Triax 190, Jobin Yvon) et d'un logiciel d'identifications des raies spectrales acquis. Parallèlement, une modification de la sonde enthalpique (ENT-PLC, Tekna) a été effectuée de manière à permettre des mesures de flux sous basses pressions. Les essais de projection ont été réalisés avec deux torches commerciales de faible puissance développées et couramment employées au laboratoire pour la projection VPS (Vacuum Plasma Spraying). Différents paramètres expérimentaux ont été testés à savoir des paramètres de fonctionnement de la torche plasma (Intensité de courant et Débit de gaz hydrogène) et des paramètres environnementaux (Pression dans l'enceinte de projection et distance de détection). Enfin, ces différentes projections ont été couplées à des réalisations de dépôts métalliques dans un premier temps et céramiques dans un deuxième temps. Il a été montré que, sous certaines conditions de projection, les dépôts présentent des microstructures fines comparables à celles qui existent dans les dépôts PVD.
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