Projection par plasma d’arc de particules submicroniques en suspension : approche expérimentale et analytique des phénomènes impliqués dans la reproductibilité et la qualité des dépôts

Suspension plasma spraying : analytical and experimental approach of the phenomena imply in the reproductibility and the quality of the deposits

• Auteur / Autrice : Ramuntxo Etchart-Salas
• Direction : Pierre Fauchais, Jean-François Coudert, Vincent Rat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux céramiques et traitements de surface
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Limoges
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Limoges. Faculté des sciences et techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Suspensions (chimie)

Pulvérisation

Gouttes

Zircone -- Couches minces

Piles à combustible à oxyde solide

Électrolytes

Dépôts physiques

Matériaux nanostructurés

Projection au plasma

Mots clés libres

Fluctuation de tension

Trajectoires de gouttes

Résumé

Aujourd’hui, les « nanomatériaux » ouvrent des perspectives importantes dans diverses applications : énergie, aéronautique, automobile, etc. . . Un procédé relativement récent, la projection plasma de suspension, permet la formation de dépôt céramique finement voire nanostructuré avec de faibles épaisseurs (entre 5 µm et 10 µm). Néanmoins, la microstructure des dépôts obtenus passe par la compréhension d���un grand nombre de paramètres, et notamment l’injection de la suspension. Ces travaux ont particulièrement montré l’intérêt de l’injection et de la fragmentation de la suspension pour son traitement dans le plasma. L’injection de la suspension a été observée à l’aide d’un système optique qui permet de déclencher l’acquisition de l’image sur une valeur de tension d’arc de la torche. Ce système permet d’observer la trajectoire et la fragmentation de la suspension correspondante à un état instantané du jet de plasma. Cette étude a montré l’importance des fluctuations du jet de plasma sur la fragmentation et la trajectoire de la suspension. Il a été observé une grande différence de traitement de la suspension selon que l’on utilise un plasma Ar/H2 ou Ar/He. Le traitement des gouttes avec un plasma argon-hydrogène se fait de manière hétérogène, cette différence de traitement est due aux fluctuations de tension de la torche, et la porosité des dépôts formés en est directement liée. La diminution de ces instabilités avec un plasma Ar/He, par exemple, permet d’homogénéiser le traitement des gouttes de suspension. La diminution de la dispersion des trajectoires dans le plasma limite les particules infondues dans le dépôt, et par conséquent sa porosité. Ces travaux ont permis d’élaborer des dépôts de zircone avec une épaisseur de l’ordre de 10 µm et une faible porosité (~ 4%). Plusieurs dépôts denses (porosité de 4%) ont été formés que ce soit avec un plasma argon-hydrogène ou argon-hélium, à condition d’adapter l’injection de suspension avec les conditions plasmagènes de tir.

Nanostructured coatings exhibits unique properties in various applications, such as aeronautics, energy, automotive, etc. . . Suspension Plasma Spraying (SPS) seems to be a promising technique to elaborate finely structured coatings with low thickness (between 5 µm to 10 µm). Nevertheless, SPS parameters which lead to control the microstructure of the deposit are not yet clearly identify, particularly for the injection of suspension. It has been shown that injection and fragmentation of the suspension into the plasma jet plays a key role in their further heat treatment. The injection of the suspension has been observed with a fast shutter camera coupled with a laser flash and triggered by a defined instantaneous voltage level of the plasma torch. Hence, the trajectories and fragmentations of the drops can be observed and correlated to an instantaneous plasma state. A particular attention is paid to the treatment of suspension jet or drops according to the importance of voltage fluctuations (linked to those of arc root) and depending on the different spray parameters such as the plasma forming gas mixture and the suspension momentum. A significant difference has been highlighted between argon-hydrogen and argon-helium plasma, mainly due to their strong fluctuation particularities. The heterogeneity of drops treatment using argon-hydrogen plasma is due to arc voltage fluctuations, and the enhancement of the coating porosity has been observed in this case. The stabilization of the interaction plasma jet-suspension increases when using plasmas with low arc voltage instabilities like Ar-He. The reduction of the drops dispersion into the plasma flow decreases the rate of unmellted particles into the coating and thus it porosity. These works have also allowed the formation of zirconia coatings with low thicknesses (~10 µm) and dense structure (~ 4% of porosity). Different dense deposits have been elaborated using either argon-hydrogen or argon-helium plasma, when the interaction plasma-suspension is controlled and adapted.