Le procédé de dépôt par plasma thermique 1ère partie : Les mesures sur le procédé de projection thermique et le contrôle en ligne dérivé P. Fauchais, M. Vardelle, J.F. Coudert Laboratoire Sciences des Procédés Céramiques et Traitements de Surface (SPCTS) UMR-CNRS 6638 Université de Limoges Faculté des Sciences, 123 avenue Albert Thomas 87060 Limoges cedex Introduction La projection plasma fait partie de la projection thermique, groupe de procédés dans lesquels des matériaux métalliques ou non sous forme pulvérulente (taille inférieure à 100 µm environ) sont déposés dans un état fondu ou semi- fondu sur des substrats préalablement préparés [1, 2]. La source de chaleur peut être : Ÿ un jet de plasma produit par un arc électrique en courant continu (direct current : d.c.). Ce type de torche correspond à 99 % du marché Ÿ ou un décharge radiofréquence (RF). Dans, environ, 95 % des installations industrielles, les torches à courant continu fonctionnent à l'air à la pression atmosphérique. Le procédé est alors appelé Projection Plasma Atmosphérique (APS en anglais). Les décharges RF [3] et quelques installations de torches d.c. fonctionnent dans une chambre à atmosphère contrôlée remplie avec un gaz neutre, généralement de l'argon, soit à la pression atmosphériq ue [4] soit sous un vide partiel (20 – 50 kPa) [5]. L'avantage principal de l'atmosphère contrôlée est d'éviter l'oxydation des poudres métalliques et des substrats lors de l'élaboration du dépôt. Les particules solides introduites dans les jets de plasma à l'aide d'un gaz "porteur" sont accélérées et fondues out partiellement fondues dans l'écoulement. Compte tenu des températures atteintes dans les jets de plasma (supérieures à 8 000 K dans le cœur du jet) il n'y a pas de limitation quant au point de fusion des matériaux pourvu qu'ils fondent et que leur température de fusion soit séparée d'au moins 300 K de leur température d'ébullition ou de décomposition. 1 Lors de l'impact sur le substrat les particules s'écrasent pour former des lamelles. Le temps d'étalement de la matière fondue sur la surface varie de 1 et 3 µs et le temps de solidification est de quelques dizaines de µs. En général, la phase de solidification débute avant la fin de la phase d'étalement. Les particules impactent sur des lamelles déjà solidifiées. Le dépôt résulte, donc, de l'empilement de lamelles dont l'épaisseur est comprise entre 0,8 et quelques µm. Il a une structure lamellaire et ses propriétés sont différentes du même matériau massif. Le matériau et les conditions de dépôt peuvent être adaptés pour fabriquer "sur mesure" des revêtements dont l'épaisseur varie de quelques 100 µm à quelques mm, présentant Ÿ une bonne résistance à la chaleur, à l'usure (frottement, érosion…) et/ou à la corrosion, aux chocs thermiques, Ÿ mais aussi des propriétés fonctionnelles : diélectriques, électriques, magnétiques… Les dépôts peuvent être aussi utilisés pour restaurer les dimensions de pièces usées ou mal usinées. A cause de ses caractéristiques spécifiques(gamme importante des matériaux projetés et des matériaux-substrat, vitesse de dépôt élevée, possibilité de maintenir le substrat à basse température ....), le procédé de projection par plasma est un procédé de traitement des matériaux dont l'importance est grandissante [6]. 1. Métrologie sur les jets de plasmas et particules Dans cet exposé nous présenterons successivement : • les torches à plasma d.c. soit conventionnelles (P~ 20-60 kW avec des débits de poudre inférieurs à 6-7 kg/h) soit de puissance (P ~ 200-250 kW avec des débits de poudre jusqu'à 20 kg/h) [1, 2]. Les phénomènes aux électrodes, en particulier l'attachement de l'arc à l'anode seront également décrits. En effet la colonne d'arc entre la cathode et l'anode est stabilisée par la paroi froide de l'anode-tuyère et par l'écoulement de gaz froid plasmagène. La couche limite froide au voisinage de la paroi de tuyère se réchauffant progressivement la colonne d'arc devient instable et l'arc vient s'accrocher à l'anode. La petite colonne de connexion s'allonge alors sous l'influence de l'écoulement du gaz au voisinage de la paroi plus froid et donc plus dense. Lorsque, du fait de cet allongement, la tension aux bornes de cette colonne de connexion dépasse la tension de claquage, un nouveau pied d'arc se crée entraînant l'extinction du précédent. Ce phénomène permet la survie de l'anode car les flux thermiques au pied d'arc dépassent 1011 W/m2 ! En 2 contrepartie la tension d'arc peut fluctuer jusqu'à ± 15 % de la tension moyenne. Les torches étant alimentées par des sources de courant, il en résulte que la puissance dissipée dans l'arc fluctue comme la tension et les jets de plasmas ainsi obtenus vont donc varier en longueur et position à des fréquences comprises entre 2 et 9 kHz. Bien entendu ceci pose des problèmes de traitement des matériaux injectés en particulier si leur temps de séjour est proche d'une période de fluctuation. • les torches RF ne présentent pas ce phénomène mais la puissance électrique y est dissipée, du fait du couplage inductif, dans un anneau. La partie centrale du plasma où sont injectées les poudres n'est chauffée que par conduction. En contrepartie, l'avantage des torches RF est que leur diamètre d est de 6 à 8 fois plus grand que celui d'une torche d.c. pour la même puissance électrique. Par exemple pour 50 kW, d = 7 mm en d.c. et d = 50 mm en RF soit un rapport de 51 entre les deux surfaces c'est à dire des vitesses d'écoulement beaucoup moins élevées en RF : moins de 100 m/s pour plus de 2000 m/s en d.c. • l'injection des particules avec les phénomènes dans l'injecteur (collisions des particules entre elles ou avec les parois de l'injecteur) et leurs conséquences sur le jet de particules. • le robot sur lequel doivent être disposées les torches de type d.c. afin d'assurer une épaisseur constante du dépôt, quelle que soit la géomé trie de la pièce, et de maintenir l'axe de la torche toujours confondu avec la normale à la pièce au point où est effectué le dépôt. • • la métrologie sur les jets de plasmas (2 000 < T < 14 000 K, 50 < v < 2 500 m/s). la métrologie sur les particules en vol (20 < vp < 400 m/s, 10 < d < 100 µm, 1 400 < Tp < 4 000 K) et lors de leur écrasement (en quelques µs). • le contrôle de la température du substrat par pyrométrie ou thermographie dans l'IR lointain (λ > 8 µm) pour limiter la perturbation du pyromètre par le plasma, les particules et l'absorption atmosphérique. 2. La problématique du contrôle en ligne du procédé Plusieurs équipements sont maintenant commercialisés pour caractériser individuellement ou dans leur ensemble des particules entraînées et chauffées dans un jet de plasma. De tels systèmes sont implantés pour piloter le procédé en conditions industrielles. Le développement jusqu'alors a principalement consisté à comparer les conditions de fonctionnement dans diverses cabines, à étudier les conséquences de l'usure des électrodes, à optimiser l'injection des particules… 3 Le développement d’un contrôle en boucle fermée impose : • De corréler par des méthodes statistiques les propriétés d'usage recherchées aux paramètres utilisés pour le contrôle en ligne : mesures sur les particules en vol et mesure de la température du dépôt et du substrat afin de définir des zones de "bon fonctionnement" assurant la reproductibilité du procédé • De résoudre les problèmes pour transformer ceci en un véritable contrôle en ligne : - en agissant sur les paramètres clefs de la console de commande des procédés (courant électriquer, pourcentage volumique de gaz secondaire, débit masse du gaz plasmagène, débit de gaz porteur…) pour rectifier dans des temps de l'ordre de la seconde toute dérive susceptible de modifier les propriétés des dépôts. - en avertissant l'opérateur que l'usure des électrodes va devenir catastrophique afin d'utiliser au mieux les électrodes de la torche qui actuellement sont systématiquement changées toutes les dix heures environ. Références : [1] L. Pawlowski, The Science and Engineering of Thermal Spray Coatings, (Pub.) Wiley, N.Y., USA (1995) 414 p [2] P. Fauchais, A. Vardelle, B. Dussoubs, Quo Vadis Thermal Spraying, J. of Thermal Spray Technology 10 (1) (2001) 44 – 46 [3] M. Boulos R.F. Plasma Spraying, J. Thermal Spray Technol. 1 (1) (1991) 33 – 48 [4] A. Freslon, Plasma spraying in controlled temperature and atmosphere, in Thermal Spray : Science and Technology, (eds.) c.c. Berndt and S. Sampath (pub.) ASM Int. Materials Park OH, USA (1995) 57 – 63 [5] P.J. Negrier and D. Hawley, Electro plasma inc. LPPS production systems, in Thermal Spray Coatings : Properties, Processes and Applications (ed.) T. F. Bernecki, (pub.) ASM Int. Materials Park – OH, USA (1991) 29 – 38 [6] M. L. Thorpe, Advanced Materials and Processes 3 (1993) 50 – 61 4