Principe général
La projection thermique est un traitement de surface par voie sèche visant à améliorer les propriétés du matériau. La résistance à l’usure et au frottement, les propriétés thermiques, la protection contre la corrosion, la biocompatibilité, les propriétés thermiques sont recherchées par ces traitements.
Tous les systèmes de projection thermique utilisent un gaz vecteur servant à accélérer et transporter de fines particules (typiquement 5 à 100 micromètres) d’un matériau fondu sur une surface à recouvrir. Les gouttelettes se déposent à la surface et se solidifient. C’est l’accumulation des particules sur le substrat qui crée le revêtement. Les liaisons entre le substrat et la couche déposée sont donc entièrement mécaniques. Le matériau à déposer peut être sous forme de poudre, fil ou baguette. L’apport d’énergie se fait de deux façons : la flamme et l’arc électrique.
Préparation de surface
Les pièces à revêtir sont préparées de façon à assurer la bonne tenue du dépôt.
Elles sont nettoyées des graisses, huile, poussières, etc. par immersion dans des solvants ou des lessives, par ultrasons ou par élévation de température. La rugosité de surface qui permet aux particules de s’ancrer dans les irrégularités de la surface et donc donner à l’interface un bon accrochage mécanique est réalisée par sablage ou par tournage suivi de sablage.
Enfin sont masquées sur les parties qui ne doivent pas être traitées par des adhésifs ou des caches métalliques.
La structure du dépôt dépend de multiples facteurs provenant du substrat et de la matière à déposer.
Le choix entre les différents procédés se fait selon les caractéristiques du substrat (résistance à la chaleur, matière à déposer, sous forme de poudre, de fil, caractère conducteur, température de fusion …) et les caractéristiques du dépôt à obtenir (épaisseur, porosité, dureté …).
La source de chaleur est ici la combustion des gaz. La température de la flamme va de 2800°C à 3150°C. Cette méthode est adaptée à la projection de matériaux à bas point de fusion. Une poudre est introduite dans la flamme puis véhiculée par l’énergie cinétique transmise par les gaz en combustion.
- Le moins onéreux et le plus facile d’emploi est la torche à gaz. La poudre tombe puis est entraînée par les gaz de combustion vers la flamme qui fait fondre la poudre et chauffe le substrat. La torche à gaz est utilisée pour rattraper des cotes, pour les problèmes d’abrasion et de corrosion. Les poudres utilisées sont des alliages autofusibles c’est à dire à base de Ni ou de Co avec du chrome, du bore ou du silicium et parfois des carbures.
- Le pistolet flamme poudre réalise des dépôts de quelques dixièmes de millimètres d’épaisseur. L’intérêt de cette méthode est qu’elle se passe sans échauffement du substrat par la flamme. Le matériau d’apport est le même que précédemment mais la projection d’aciers, d’alliages à bas point de fusion, de céramiques ou de polymères est aussi possible. Le procédé flamme poudre est utilisé pour l’isolation thermique, la résistance à l’usure ou à la corrosion.
- Pour le procédé flamme fil, le fil, cordon ou baguette est fondu par la flamme puis est projeté sur le substrat par un courant d’air comprimé. Cette technique permet de réaliser des dépôts de métaux, d’alliages de base zinc, cuivre, nickel ou étain et de céramiques sous forme de baguettes. L’épaisseur des dépôts va de quelques dixièmes de millimètres à quelques millimètres. Ce procédé est utilisé par tous les domaines industriels.
Il est possible de réaliser une refusion du dépôt après projection pour le densifier et assurer une liaison de type brasage pour des alliages auto fusibles. Pour cela il faut s’assurer que la température de fusion du substrat soit supérieure à celle du dépôt et que les vitesses de préchauffage et de refroidissement ne créent pas de fissuration. La refusion n’est pas utile dans le cas de la torche à gaz puisque celle-ci crée déjà une liaison de type brasure.
Cette technique est principalement utilisée pour réaliser des revêtements carburés (WC- Co, Cr3C2), métalliques (Ni, Co) et des alliages (Inconel, MCrAlY).
La vitesse des particules très élevée et le débit de matière important permettent de construire rapidement des dépôts de forte densité avec des caractéristiques techniques à très forte valeur ajoutée. Il est donc très souvent utilisé en aéronautique.
Les applications sont nombreuses telles que les protections anticorrosion et anti usure avec la possibilité de réaliser des dépôts épais.
Un arc électrique entre deux fils dégageant une énergie thermique importante (environ 6000°C variant selon le matériau utilisé et l’intensité choisie) fait fondre le métal des fils, un jet d’air comprimé pulvérise alors le métal fondu sur le substrat. Les dépôts ont une épaisseur de 0,2 à 3 mm avec une porosité de 5 à 10%.
Son développement est axé sur les deux caractéristiques à améliorer que sont ; la taille des particules (qui jusque là possédaient une structure grossière) et l’oxydation des dépôts due au transport des particules par de l’air, remplacé par un gaz neutre.
Les matériaux projetés doivent être conducteurs. Les plus fréquemment utilisés sont le zinc, l’aluminium, le cuivre, le molybdène et les aciers. Le développement des fils fourrés avec des alliages tels que NiCrAl ou NiMoAl, des fils chargés en carbure de chrome ou des composites permet de nouveaux types de dépôts.
Un plasma gazeux est initié par un arc électrique confiné (12 000 à 20 000 °K). Il est étranglé dans une tuyère d’où il s’échappe avec une vitesse élevée. On injecte alors la poudre dans ce jet de plasma grâce à un gaz porteur en général de l’argon. Les particules fondent et sont projetées sur le substrat par ce jet de gaz.
L’ intérêt de cette technique réside dans la diversité de substances projetables (métaux, alliages, céramiques, carbures et cermets).
La projection plasma nécessite un équipement important : une torche de projection, une armoire de commande et de régulation, un générateur de courant continu et un distributeur de poudre; les installations sont en général entièrement automatisées ou robotisées.
L’industrie automobile et l’industrie aéronautique utilisent ce procédé pour lutter contre l’usure, la corrosion, l’oxydation, les chocs thermiques ou les frottements.
La projection peut être effectuée sous vide ou atmosphère contrôlée ce qui permet des dépôts très épais (plusieurs millimètres) avec une température plus basse. Mais le coût d’une telle installation est très élevé et limite son utilisation à des applications très pointues comme le dépôt de carbure de bore dans le domaine nucléaire.
Le Cold Spray est un procédé destiné à la réalisation de revêtement mais également à la réparation de composants utilisés dans les secteurs industriels avancés, jusqu’à la création de formes 3D de géométries diverses.
Contrairement aux autres procédés de projection thermique, le principe du Cold Spray est basé sur l’accélération de particules de poudres solides par un jet de gaz à vitesse supersonique.
Il présente de nombreux avantages ; dépôt d’épaisseur élevée, très faible porosité, très peu d’oxydation et excellente adhérence.