Le procédé de dépôt par plasma thermique

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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 atmosphérique [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.

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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

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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 géométrie 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…

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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