Modélisation de la formation des contraintes résiduelles dans les dépôts élaborés par projection thermique

Numerical modeling of residual stress formation in the thermally sprayed coatings

• Auteur / Autrice : Jianfei Li
• Direction : Christian Coddet, Rodolphe Bolot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Besançon
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de technologie de Belfort-Montbéliard (1999-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contraintes résiduelles

Dépôts physiques

Modèles mathématiques

Traitements de surface

Projection au plasma

Résumé

Le principe de l'ensemble des procédés de traitement de surface par projection thermique est de former un dépôt protecteur sur les pièces à traiter afin de leurs conférer des propriétés de surface dont elles ne disposent initialement pas (résistance à la corrosion ou à l'usure, barrières thermiques, etc. ). Les dépôts élaborés étant créés par l'empilement de gouttelettes fondues projetées sur les surfaces à traiter, ils sont généralement soumis à des champs de contraintes apparaissant lors de leur élaboration. Ces contraintes peuvent notamment affecter leur adhérence et influencer leur temps de vie. Cette étude concerne donc la modélisation de la formation des contraintes résiduelles au cours de l'élaboration d'un dépôt. Ces contraintes ont deux origines principales qui sont : - l'apparition de contraintes de trempe lors de l'écrasement, la solidification et le refroidissement des gouttelettes individuelles. - la formation de contraintes thermiques lors du refroidissement de la pièce à température ambiante après élaboration du dépôt. Le logiciel SYSWELD spécialisé dans la modélisation de la formation des contraintes dans les procédés de soudage est utilisé dans cette étude. Les aspects thermiques jouant un rôle crucial sur la formation des contraintes, ils sont tout d'abord considérés. En particulier, l'influence des flux thermiques transférés à des pièces de formes diverses suivant différentes trajectoires est modélisée. Enfin, la modélisation de la formation des contraintes est abordée dans le dernier chapitre. Les cas de la formation de dépôts d'alumine et de molybdène sur un substrat d'acier sont plus particulièrement considérés. Les calculs montrent que le niveau de contraintes dans le dépôt peut être réduit en jouant sur des paramètres tels que le refroidissement en cours de projection.

Thermal spray processes consist in elaborating a coating on a workpiece in order to protect it against corrosion, wear or thermal fluxes for example. Since the coatings are formed by the flattening and solidification of molten droplets sprayed on the surface, they are affected by residual stresses during their elaboration. This study is devoted to the modelling of the residual stresses formation during the coating elaboration. These stresses have two major contributions: - quenching stresses appearing during the flattening, solidification and cooling of individual splats. - thermal stresses appearing during the workpiece overall cooling down. The finite element SYSWELD software was used in the present study. It is specialized in the modelling of stresses induced during welding applications. Since thermal aspects play an important role in the formation of stresses for thermally sprayed coatings, they were first considered. The influence of thermal fluxes transferred to different shape workpieces using different trajectories is hence first presented. Moreover, the stresses formation modelling is presented in the last chapter. The cases of alumina and molybdenum coatings sprayed on a steel substrate are considered. Numerical results show that the overall residual stress level may be modified by using cooling devices during the coating elaboration.