Étude des contraintes thermomécaniques dans les dépôts obtenus par projection plasma : Modélisation de l’écrasement et de la solidification des gouttes céramiques

Study of thermomechanical stresses in plasma sparayed coatings : modeling of the crash and solidification of ceramic droplets

• Auteur / Autrice : Soufiane Oukach
• Direction : Bernard Pateyron, Hassan Hamdi, Mohammed El Ganaoui, Lech Pawlowski
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux céramiques et traitements de surface. Energétique
• Date : Soutenance en 2016
• Etablissement(s) : Limoges en cotutelle avec Marrakech
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Limoges. Faculté des sciences et techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement thermomécanique

Topographie de surfaces

Solidification

Éléments finis, Méthode des

Matériaux céramiques

Projection au plasma

Mots clés libres

Impact de gouttes

Level set

Résumé

L’intérêt des dépôts plasma de haute performance augmente jour après jour en raison de l’utilisation cruciale de ces dépôts dans des applications industrielles de plus en plus nombreuses. Ces dépôts sont obtenus par empilements successifs de lamelles formées de particules fondues et accélérées dans le jet plasma qui viennent s'étaler et se solidifier sur le substrat ou sur les lamelles sous-jacentes. La microstructure de ces dépôts et donc leurs propriétés (thermiques, mécaniques, optiques, électriques, etc. ) sont directement liées à la microstructure de ces lamelles et à la nature de leur contact avec le substrat ou lamelles déjà déposées. Bien concevoir cette structure, permet de s’affranchir de limitations qui dégradent la qualité de ces dépôts et donc d'augmenter leur performance. Une meilleure compréhension du processus de l'écrasement d'une goutte individuelle sur un substrat est donc le verrou de la formation des dépôts. Ce travail de thèse s'inscrit donc dans le cadre d'une meilleure compréhension de la structure du dépôt plasma. Il s'articule autour de la simulation du processus de l'écrasement d'une goutte d'un matériau céramique (alumine) dans les conditions usuelles de la projection plasma par l’usage de la méthode iso niveau (Level Set) pour le suivi de l'interface et la méthode des éléments finis pour résoudre les équations différentielles partielles qui régissent ce processus. Les résultats numériques obtenus permettent d’induire une nouvelle corrélation prédictive du coefficient d'étalement maximum en fonction du nombre de Reynolds pour des vitesses d'impact élevées (>200 m/s), et aussi de mettre en évidence les paramètres et phénomènes physiques qui régissent principalement l'écrasement et la solidification d'une goutte individuelle ainsi la formation d'une lamelle. L'impact d'une goutte sur un substrat incliné est aussi simulé. L'impact simultané de deux ou de trois gouttes sur un substrat est étudié ce qui montre la capacité de ce modèle à simuler la construction du dépôt. Enfin, un couplage thermomécanique permet d'étudier les contraintes thermomécaniques au sein d'une lamelle individuelle.

The plasma sprayed coatings with high performance increase day after day due to the critical roles that these coatings play in several industrial applications. These coatings are obtained by successively stacking of splats resulting from particles injected into a plasma jet where they are melted and projected at high velocity towards the substrate or underlying splat where they spread and solidify. The microstructure of these coatings and thus their properties (thermal, mechanical, optical, electrical, etc. ) are directly related to the microstructure of splats and the nature of their contact with the substrate or piled-up splats. Understanding this structure will avoid some limitations that degrade the quality of these coatings and then increase their performance. This can be possible only through a better understanding of the process of impact of a single droplet onto a substrate since it is the essential building block for the formation of coatings. The work presented in this PhD thesis consists of a better understanding of the coating structure. It focuses on the simulation of the process of impact of a ceramic droplet (alumina) onto a substrate in the traditional conditions of plasma spraying. The Level Set method is used to track the interface between the droplet and the surrounding gas while the finite elements method is used to solve the various equations that govern this process. The numerical results have allowed us to derive a new correlation that predicts the maximum spreading coefficient as a function of the Reynolds number for high impact velocities (> 200 m/s), also highlight the effect of the main parameters and physical phenomena which govern the crash and the solidification of an individual droplet and then the splat formation. The impact of a droplet onto an inclined substrate was alsosimulated. The simultaneous impact of two and three droplets on a substrate is carried out which shows the ability of our model to simulate the construction of the coating. Finally, a thermo mechanical coupling has allowed us to study the stresses within an individual splat.