Contribution à l`étude de l`érosion des électrodes de torches à

N° 53 - 2003
UNIVERSITE DE LIMOGES
Faculté des Sciences et Techniques
Ecole Doctorale : Science, Technologie, Santé
Sciences des Procédés Céramiques et Traitements de Surface
THESE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITE DE LIMOGES
Matériaux Céramiques et Traitements de Surface
Présentée et soutenue par
David RIGOT
Le 24 Novembre 2003
Contribution à l'étude de l'érosion des électrodes de
torches à plasma d'arc pour la projection par suivi en
ligne des signaux de tension et de son
Président :
Armelle VARDELLE Professeur, Université de Limoges, France
Rapporteurs :
Joachim HEBERLEIN Professeur, University of Minnesota, Minneapolis, USA
Serge VACQUIE Directeur de recherche émérite, CNRS, UPS Toulouse, France
Examinateurs :
Pierre FAUCHAIS Professeur, Université de Limoges, France
Jean-François COUDERT Professeur, Université de Limoges, France
André LEFORT Professeur, LAEPT, UBP Clermont-Ferrand, France
Bernard PATEYRON Ingénieur de Recherche, CNRS, Université de Limoges, France
Per NYLEN Professeur, Université de Trollhättan, Suède
Clarisse DELALONDRE Ingénieur de recherche EDF, Chatou, France

Remerciements
Lorsqu'il faut tant de temps pour penser et pour écrire une thèse, les gens qui vous
encouragent, vous tiennent la main, vous aident, etc., ces personnes irremplaçables et
essentielles tendent à se fondre dans le décor de la vie quotidienne et sont parfois oubliées
lorsque vient le moment d'exprimer officiellement sa reconnaissance. J'ai peur de commettre
des impairs inexcusables. Dans l'éventualité où je me rendrais responsable d'un tel méfait, je
prie par avance chacun de m'en excuser.
Dans cet esprit, je commencerai par avoir une pensée respectueuse pour Guy Delluc,
qui nous a quitté prématurément, et grâce à qui un énorme travail a pu être accompli sur ce
sujet de thèse avec, parmi de nombreuses autres réalisations, la mise au point du logiciel de
traitement des signaux par transformées en ondelettes. Je ne vous oublie pas M. Delluc.
Je tiens à remercier Bernard Pateyron, directeur de thèse et membre du jury, pour
l'accueil dans son laboratoire et pour sa disponibilité sans faille, que ce soit pour les
expérimentations ou pour répondre à mes questions. Vivre ensemble le quotidien de ces trois
années fut pour moi riche d'enseignements académiques mais surtout un plaisir de partager
des sujets de discussions qui allaient au-delà de celui de la thèse.
J'exprime ma gratitude à Jean-François Coudert, directeur de thèse et membre du jury,
pour la patience dont il a fait preuve en m'éclairant sur de nombreux points obscurs pour moi
au début, tels que l'électronique ou le traitement du signal. Ses idées ont souvent jalonnées le
chemin de cette étude.
Que Pierre Fauchais trouve dans ses lignes, tous les remerciements que je lui adresse
en tant que membre du jury mais surtout en tant que directeur de thèse. Merci de la confiance
qu'il m'a témoignée en me proposant ce travail de thèse. Merci surtout pour les conseils
dispensés pendant ces trois ans. Merci enfin pour les heures passées à lire les différentes
versions de mes rapports et pour les corrections apportées. Travailler sous sa direction a été
pour moi un honneur.
Je présente également ma profonde reconnaissance à Joachim Heberlein et Serge
Vacquié qui ont accepté d'examiner mon travail en tant que rapporteurs, à André Lefort, en sa
qualité de Président du jury, et à Per Nylén, Armelle Vardelle et Clarisse Delalondre pour
l'intérêt qu'ils témoignent pour ces recherches en me faisant l'honneur de participer au jury.
Pour la confiance qu'il m'a accordé en me laissant conduire l'orientation de mon
travail, pour la gentillesse de son accueil en Suède, pour la cordialité de nos relations et pour
l'exemplarité de manager qu'il m'inspire, je tiens à exprimer de vifs remerciements à Jan
Wigren, directeur du centre de projection thermique de Volvo Aero, dont l'initiative a permis
à cette étude de voir le jour. Je remercie et je garde en mémoire aussi tout le personnel de

Volvo Aero, des responsables de services (Mats-Olov Hansson, Jimmy Anderson, etc.) aux
formidables opérateurs (Håkan, Tobbe, etc.) qui ont fait de nombreux efforts pour m'aider
dans mon travail à Trollhättan, et qui ont transformé mon séjour en Suède en une expérience
inoubliable.
Que les membres permanents du SPCTS ou de l'Université de Limoges, soient
remerciés pour leur aide, leur disponibilité et leur gentillesse: Alain Grimaud, Alain
Denoirjean, Hélène Ageorges, Michel Vardelle, Pierre Martin, Gilles Rochette, etc. Je tiens
aussi à exprimer une pensée chaleureuse à Nicole Coiffe, Hélène Mémy et Martine Ségear
pour leur aide dans la gestion des méandres administratifs.
Mes remerciements vont aussi à Jean-Claude Vareille, Gaëlle Peyrat et Jacques
Chisten de l'Ecole Doctorale "Science, Technologie, Santé" pour leur accueil, et leur volonté
d'offrir à chaque doctorant les nombreuses formations annexes au sujet de thèse, mais
tellement indispensables pour consolider notre "savoir-être" (communication, management,
connaissance du monde de l'entreprise, etc.).
Je salue ici tous les doctorants qui ont contribué par leur sympathie à la réalisation de
ce travail, avec une pensée particulière pour Gwenaëlle et Cyril, mes vieux compagnons de
route, ainsi que Cédric, Aurélien, Sébastien et Jérôme, à qui j'exprime ma sincère amitié.
A Mickaël et sa famille, je veux offrir ma gratitude et plus encore, pour m'avoir permis
par leur générosité de cœur, de garder l'équilibre dans les moments difficiles de ce parcours.
Et à mes parents et mes frères, ma plus profonde reconnaissance pour l'amour et les
encouragements qu'ils m'ont toujours prodigués.

Nomenclature i
Liste des symboles
Par convention dans ce document, les vecteurs seront notés en gras.
Symboles Romains
A Facteur d'amplitude pour le calcul des valeurs de mode (%)
A Aire du pied d'arc en contact avec l'anode (m2)
a Pente de la rampe croissante d'un signal de tension (V.s-1)
a rayon du pied d'arc (m)
Aa Amplitude des ondes acoustiques (-)
ASx Amplitude moyenne globale pour les spectres du xième tir-test pour le son (-)
ASkx Amplitude maximale locale du kième spectre du xième tir-test pour le son (-)
AVx Amplitude moyenne globale pour les spectres du xième tir-test pour la tension (-)
AVkx Amplitude maximale locale du kième spectre du xième tir-test pour la tension (-)
B Vecteur du champ magnétique auto induit par la colonne d'arc (-)
c Vitesse du son (m.s-1)
cp Chaleur spécifique à pression constante (J.K-1.kg-1)
cv Chaleur spécifique à volume constant (J.K-1.kg-1)
C Capacité du circuit RF (F)
d Diamètre interne de l'anode (m)
Darc Diamètre de la colonne d'arc principale (m)
e Charge de l'électron (e = 1.6 10-19C)
E Energie absorbée par le courant de dérive (W)
e' Epaisseur de la couche limite froide (m)
E Valeur du champ électrique dans l'arc (V.m-1)
E Vecteur du champ électrique (-)
Edis Valeur du champ électrique disruptif dans la CLF (-)
EcolP Champ électrique de la colonne d'arc principale (V.m-1)
Ecolcnx Champ électrique de la colonne de connexion (V)
F Quantité perturbée de F0 (F = Fe + Fi) (m.kg.s-2)
F0 Force appliquée sur une unité de volume de gaz (m.kg.s-2)
Fe Quantité perturbée de F0 relative aux électrons (m.kg.s-2)
Fi Quantité perturbé de F0 relative aux ions (m.kg.s-2)
FL Vecteur unité de la force de Lorentz agissant sur la colonne de connexion (-)
FSx Fréquence maximale globale du xième tir-test pour le son (Hz)
FVx Fréquence maximale globale du xième tir-test pour la tension (Hz)
fSkx Fréquence maximale locale du kième spectre du xième tir-test pour le son (Hz)
fVkx Fréquence maximale locale du kième spectre du xième tir-test pour la tension (Hz)
G Débit masse du gaz plasmagène (kg.s-1)