Étude des composantes mécanique et métallurgique dans la liaison revêtement-substrat obtenue par projection dynamique par gaz froid pour les systèmes «Aluminium/Polyamide6,6» et «Titane/TA6V»

Study of the mechanical and metallurgical contributions to coating-substrate bonding in cold spray for «Aluminium/Polyamide 66» and «Titanium/Ti-6Al-4V»

• Auteur / Autrice : Damien Giraud
• Direction : Michel Jeandin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance le 17/06/2014
• Etablissement(s) : Paris, ENMP
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne) - Centre des Matériaux
• Jury : Président / Présidente : Bernard Normand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Jeandin, Jean-Marie Malhaire, Igor Movchan
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sophie Costil, Bertrand Jodoin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Revêtement de surface

Titane -- Alliages

Polyamides

Aluminium -- Composés

Mots clés libres

Cold spray

MET

Simulation par éléments finis

Métallisation des polymères

Titane

Cold spray

TEM

Finite element simulation

Polymer metallization

Titanium

Résumé

La projection thermique cold spray consiste en l'envol de poudres à haute vitesse sur une cible : le substrat. Leur adhérence et leur accumulation mène à des revêtements plus ou moins denses, utilisés dans le domaine automobile, biomédical, etc. La première étape de construction du dépôt passe par un contact entre la poudre et le substrat. Il est admis que la liaison créée est mécanique et, si la nature des matériaux le permet, métallurgique. Cette étude permet de statuer sur ces deux composantes. Pour cela, deux systèmes privilégiant l'une ou l'autre, sont choisis. L'ancrage mécanique est vu au travers de la métallisation de polymère avec l'emploi d'aluminium projeté sur polyamide 6,6. La liaison métallurgique est abordée avec l'emploi de titane sur un substrat plus rigide en TA6V. Avant d'étudier les mécanismes de liaison, une étape d'élaboration des dépôts est réalisée balayant de nombreux paramètres « procédé » et différentes propriétés des matériaux (température, granulométrie). Des outils sont déployés pour connaître les conditions d'impact : la vitesse de particule par DPV2000, la température du substrat par thermographie infra-rouge et la température des particules par voie numérique. L'ancrage mécanique dans le polymère est décrit grâce à l'étude de l'impact de particules élémentaires ainsi que de la rugosité d'interface 2D (coupes micrographiques) et 3D (laminographie X). Le gradient de porosité est également quantifié. La liaison métallurgique est étudiée par MET. Au préalable, la simulation numérique par éléments finis est employée pour retracer la phénoménologie de l'impact ainsi que quantifier les déformations et les températures locales atteintes à l'interface. La morphologie simulée des particules à l'impact est comparée à celles observées dans des conditions réelles de projection. Enfin, l'adhérence des différents dépôts est évaluée par essai « plot collé » et les faciès de rupture observés. L'influence de la morphologie de surface est étudiée avec des prétraitements de sablage et de structuration laser.

Cold Spray consists in the high-speed spray of powder particles onto a target; namely the substrate. Their adhesion and accumulation leads to a more or less dense coating to be used in the automotive, the biomedical… areas. The first stage of coating results from a powder to substrate contact. Bonding is due to mechanical anchoring and, depending on the involved materials, to metallurgical interaction. This study helps to rule on these two components. For this, two systems, which promote either mechanical or metallurgical mechanism separately, are selected. Mechanical anchoring is studied through polymer metallization using of aluminum for spraying onto polyamide 6,6. Metallurgical bonding is studied using titanium onto Ti-6Al-4V. Before studying the bonding mechanisms, the spraying process is investigated using many process parameters and materials properties (temperature, particle size…). Advanced tools are employed to determine impact conditions; i.e. particle velocity by DPV2000, substrate temperature by infrared thermography and particle temperature by numerical calculation. Mechanical anchoring onto the polymer is described through the analysis of elementary particle impacts and through 2D (micrograph sections) and 3D (laminography) study of interface roughness. The porosity gradient is also quantified. Metallurgical bonding is studied by TEM. Before that, a finite element simulation is used to go into the phenomenology of the impact and to quantify the local deformation and temperature at the interface. The simulated particle morphology is compared to those observed in real spraying conditions. Lastly, deposit adhesion is assessed by pull-off testing and the fractured surface is observed. The influence of the substrate surface morphology is exhibited using sand-blasting and laser structuring pretreatments.