Contribution to the development of thermal spraying at very low pressure
Contribution au développement de la projection thermique à très faible pression
Résumé
The aim of this work is to develop a new coating technology by dry route. To achieve this goal, a theoretical and experimental approach has been developed, a new process which implements thermal spray technology at pressures lower than 10hPa. Low pressure domain concerned by this study allows to generate strong enthalpies at the thermal source at high pressures and to operate at weak pressures on the substrate, which on the one hand avoids the chemical contaminations (oxidation, chemical reactions) in the coating materials and on the other hand reduces porosity rate and improves layer adhesion. So, the microstructures of the obtained coatings are close to those performed by Physical Vapour Deposition ( PVD) with the capacity to increase its deposition rate. During this work, a theoretical approach by the calculation software (FLUENT) allowed to study the plasma flow conditions and the effect of the material injection. The results allowed to define a divergent nozzle De Laval shape adaptable to a classic vacuum spraying torch F4VB. In parallel, a large vacuum chamber was designed, built and tested at the laboratory. This facility is constituted by mobile and fixed chambers, equipped with a robot, with different diagnostic devices (thermocouples, DPV, optical spectrometer, optical pyrometer), cooling substrate holder. Various studies on metallic materials allowed to validate the facility design and the process. Then study concerned how to obtain different copper based coatings at different pressures. To study the different compounds of the material stemming from the torch, a specific method was developed which allows to characterize the condensed vapour and the splats created in a separate and independent way. The results allowed to compare the structure of the coatings obtained by this process and by PVD and to confirm abilities to obtain dense or columnar coatings.
Le but de ce travail est de mettre au point une nouvelle technologie de dépôts de matériaux par voie sèche. Pour ce faire, nous avons développé, par une approche théorique et expérimentale, un nouveau procédé qui met en oeuvre la technologie de la projection thermique dans le domaine des basses pressions (inférieures à 10 hPa). Le domaine des basses pressions concerné par cette étude permet de générer de fortes enthalpies au niveau de la source thermique, à pression élevées, et de travailler à faibles pressions au niveau du substrat. Ce qui d'une part évite les contaminations chimiques (oxydation, réactions chimiques,...) dans les matériaux du dépôt et d'autre part réduit le taux de porosité et améliore l'adhérence de la couche ainsi construite. Ainsi, les propriétés physiques des dépôts obtenus s'approchent de celles des dépôts réalisés par le procédé de déposition en phase vapeur sous vide (PVD) en ayant l'avantage d'en accroître la vitesse d'obtention. Pendant ce travail, une approche théorique par des moyens de calcul (FLUENT) a permis d'étudier les conditions d'écoulement du plasma et l'effet de l'injection du matériau. Les résultats ont permis de définir un divergent de géométrie Laval adaptable à une torche classique F4VB de projection thermique sous pression réduite (VLPPS). En parallèle, une enceinte de grand volume adoptée au procédé a été conçue, réalisée et testée au sein du laboratoire. Cette enceinte, constituée d'une chambre mobile et d'une chambre fixe, est équipée d'un robot, de différents systèmes de diagnostics (thermocouples, DPV, spectromètre optique, pyromètre optique, etc.), de systèmes de refroidissement d'un porte substrat. Différents essais de matériaux métalliques ont permis de valider le concept et le procédé. Ensuite l'étude a concerné l'obtention de différents dépôts de matériaux à base de cuivre, à différentes pressions. Pour étudier les différents constituants du matériau issu de la torche, une méthode spécifique a été développée, qui permet de caractériser les phases vapeurs et solides créées de manière séparée et indépendante. Les résultats ont permis de comparer la structure des dépôts obtenus par ce procédé et par le procédé PVD, et de confirmer la possibilité d'obtention de revêtements denses ou colonnaires.
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