L'analyse du processus de la projection à froid et la détermination de certaines propriétés des revêtements projetés de poudres métalliques sur les substrats en polymères

Analysis of the cold gas spraying process and determination of selected properties of metallic coatings on polymers

Analiza procesu natryskiwania zimnym gazem oraz określenie wybranych właściwości powłok metalowych na polimerach

• Auteur / Autrice : Aleksandra Malachowska
• Direction : Andrzej Ambroziak, Lech Pawlowski
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Soutenance le 22/03/2016
• Etablissement(s) : Limoges en cotutelle avec Uniwersytet Wrocławski
• 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 : Wojciech Zorawski
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jerzy Nowacki
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thomas Lampke, Didier Chicot, Tomasz Chmielewski

Mots clés

Mots clés contrôlés

Revêtement de surface

Polymères -- Propriétés thermiques

Matériaux -- Effets des basses températures

Métallisation

Mots clés libres

Projection à froid

Cold spray

Résumé

Le but de cette thèse de doctorat état d’analyser la possibilité de la métallisation des couches des polymères à l’aide de la méthode de pulvérisation avec du gaz froid sous une basse pression. Deux substrats thermoplastiques et cinq poudres métalliques ont été étudiés. Les substrats étaient le polycarbonate amorphe et le polyamide 6 semicristalin. La poudre était : sphérique, globulaire, dendrique cuivre, aluminium et étain. Le processus de déposition s'est avéré beaucoup plus complexe que dans le cas du substrat de métal. Les problèmes étaient, entre autres : faible dureté du substrat, comportement fragile dans les basses températures, l'amollissement thermique dans des températures très basses. Le travail a commencé avec un calcul de la vitesse dans une basse pression du processus de pulvérisation a froid. La vitesse calculée pour toutes les poudres sauf l'étain étaient au-dessous de la vitesse critique pour les paramètres acceptables en ce qui concerne la déposition des polymères. Les premières épreuves ont confirmé que la déformation des particules de poudre n'était pas suffisante. Dans le cas de cuivre, il était impossible d'obtenir le revêtement. En plus, la force de liaison était très faible - les revêtements étaient delaminés spontanément. Deux mesures ont été entreprises pour améliorer les résultats : réduire la vitesse critique de la poudre et insérer des couches intermédiaires. Avec ces deux moyens, il a été possible d'obtenir les revêtements en cuivre et alluminium sur PA6 et PC. En s'appuyant sur l'étude, des conditions optimales pour la déposition de revêtement ont été choisies pour la caractérisation. La caractérisation des revêtements a inclu : l'analyse structurelle avec le microscope à la lumière et électronique à balayage, mesure d'adhésion, mesures du module d'Young, résistivité électrique, mesures de micro-dureté, mesures de coefficient de dilatation thermique, mesures de contenu d'oxygène et la simulation FEM pour étudier le mécanisme de déposition.

The aim of this Phd thesis was to analyze the possibility of metallization of polymers surface using a Low-Pressure Cold Gas spraying method. Two polymers substrate: polyamide 6 (Pa 6) and polycarbonate (PC) were investigated. The coatings were deposited using: tin, aluminium and copper powders. Within the framework of this work powders particles velocity and temperature was calculated during spraying process. The obtained particle velocity was compared to the critical velocity to select initial spraying conditions. Direct spraying on polymers substrate brought acceptable properties only for tin powder. Aluminium coatings delaminated spontaneously after spraying process. In case of copper powder deposition of continuous layer was impossible. Next, the influence of powder morphology, heat treatment of the feedstock material and the use of interlayers on the deposition process was investigated. Consequently, aluminium and copper coatings were obtained on both polymers. For a set of received coatings (Sn, Al, Cu) microstructure was observed and the results of adhesion, resistivity, micro-hardness, Young's modulus, and oxygen content in powders and coatings measurements were given. The bonding mechanism of the powder particles with substrate material was investigated using simulation of impact of copper and tin particle on polyamide substrate in Abaqus program. The simulation results were compared to experimental results. The dissertation was summed up with conclusion and possibilities of further research.

Celem niniejszej rozprawy doktorskiej była analiza możliwości metalizacji powierzchni tworzyw sztucznych za pomocą metody niskociśnieniowego natryskiwania zimnym gazem (z ang. Low-Pressure Cold Spraying – LPCS). Jako podłoże zastosowano dwa polimery: poliamid 6 (PA 6) i poliwęglan (PC). Powłoki zostały wykonane z użyciem proszków: cyny, aluminium i miedzi. W ramach pracy obliczono prędkość oraz temperatura cząstek proszku podczas procesu natryskiwania. Na podstawie porównania otrzymanych wyników prędkości cząstek proszku do prędkości krytycznej dobrano wstępne parametry procesu. W przypadku bezpośredniego natryskiwania na tworzywo jedynie powłoki cynowe charakteryzowały się akceptowalnym właściwościami. Powłoki aluminiowe miały tendencje do samoistnego odspajania. W przypadku prób nanoszenia proszku miedzi nie udało się uzyskać ciągłej warstwy. W dalszej kolejności zbadano wpływ morfologii i obróbki cieplnej proszku oraz zastosowania międzywarstw na proces formowania powłoki, co pozwoliło na uzyskanie powłok aluminiowych i miedzianych na powierzchni obydwu tworzyw sztucznych.Dla kompletu uzyskanych powłok (Sn, Al, Cu) przedstawiono zdjęcia mikrostruktury oraz wyniki pomiarów wyniki pomiarów przyczepności, rezystywności, mikrotwardości,modułu Younga, zawartości tlenu w proszku i powłoce. Mechanizm wiązania cząstek proszku z materiałem podłoża przeanalizowano za pomocą symulacji uderzenia cząstek miedzi i cyny w podłoże poliamidowe w programie Abaqus. Wyniki z symulacji zostały porównane do rezultatów eksperymentalnych. Całość pracy podsumowano wnioskami oraz przedstawiono możliwości dalszych badań.