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Elaboration des dépôts par projection thermique
C’est en 1917 que Schoope et Guenther ont développé la technique de la projection thermique pour l’élaboration des dépôts métalliques de Zinc, en utilisant une flamme oxyacétylénique comme source de chaleur. Toutefois, l’impact technologique de cette technique a commencé à se manifester seulement à partir de la deuxième moitié du XXème siècle avec le développement de l’industrie aérospatiale, durant la deuxième guerre mondiale ; ce qui a entraîné un perfectionnement de cette technique, puis l’apparition de technologies plus évoluées comme le D.-GUNTM et la projection plasma en utilisant un arc électrique. En 1962, des études techniques ont été intensifiées sur la projection thermique, et en 1973 une nouvelle technique de projection thermique par plasma sous un vide partiel a été développée. De grands progrès ont été réalisés avec le développement des techniques HVOF (High Velocity Oxyfuel Flame) et HVAF (High Velocity Air-fuel Flame) pour des applications industrielles, notamment dans les secteurs de l’aérospatiale, l’aéronautique, l’industrie militaire, l’énergie, la pétrochimie, la sidérurgie, le textile, l’agriculture et la médecine durant la décennie 1980- 1990.
Principe des techniques de projection thermiques
Les méthodes de revêtement par projection thermique sont basées sur le principe de dépôts de matériaux métalliques , de céramiques ou de cermets sous forme de poudre, fil ou baguettes sur des substrats métalliques, après avoir été chauffés au préalable à des températures proches ou supérieures à la température de fusion, grâce à une source de chaleur (flamme, arc électrique, plasma) . Ensuite, le produit de fusion est accéléré par un flux de gaz à haute température et à grande vitesse vers un substrat où les gouttelettes se déforment et/ou s’aplatissent sous l’impact et génèrent des lamelles appelées « splats ». L’empilement de ces lamelles sur plusieurs couches forme un revêtement .
Les procédés de la projection thermique peuvent être différenciés par la source d’énergie utilisée : la flamme oxyacétylénique ; la torche flamme à grande vitesse, (HVOF ou HVAF) ; la torche à détonation (D-GunTM) ; l’arc électrique ; la torche à plasma ; l’arc transféré (PTA).
Revêtements en alliages à base de Nickel
Les revêtements en alliage à base de nickel sont réalisés sur les surfaces des pièces industrielles dans le but d’une réutilisation performante contre l’usure et/ou la corrosion. Ils sont également utilisés en remplacement de revêtements de chrome dur, dangereux pour la santé humaine et nocif pour l’environnement . Plusieurs études sur les propriétés tribologiques et chimiques de ces revêtements sont rapportées dans la littérature scientifique ; à titre d’exemples :
Des revêtements à base de Nickel pulvérisés à la flamme sur un acier à faible teneur en carbone, améliore la résistance à l’usure par glissement à sec presque 10 fois que celui-ci. D.Yung et al, ont été évalués le comportement tribologiques des revêtements durs à base de Nickel renforcés de cermets TiC-Ni et ZrC-Ni élaborés par le procédé de soudage à l’arc avec transfert de plasma, par un test d’abrasion cyclique à haute température utilisant le G65 avec de la silice fluide et un chauffage de l’inducteur jusqu’à 700°C. Ils ont montré que pour la matrice renforcée en TiC-Ni et ZrC-Ni, la résistance à l’usure augmente régulièrement avec l’augmentation des températures. Cela est principalement dû à la formation d’oxyde fournir une couche de protection contre l’usure par abrasion . H, Skulev et al. Ont étudié la résistance à l’usure des revêtements à base de Nickel projetés au plasma, sur deux types de substrats, l’acier et la fonte. Alors, ils ont trouvé que la base de substrat pour la pulvérisation a une influence sur la composition chimique de la phase de revêtement .
Hesam Rezvani Sichani et al. ont étudiés la résistance à la corrosion d’un revêtement intermétallique (Ni-Ti-Al), élaboré par le procédé de projection thermique par plasma sur substrat en acier (AISI 1045) dans un milieu à 3.5% NaCl. Ils ont trouvées que la performance de la corrosion du substrat est améliorée par le revêtement Ni-Ti-Al . Aussi, une poudre d’alliage Ni-20Cr déposée sur un acier de chaudière SA16, par le procédé de pulvérisation à froid améliore le comportement à la corrosion de celui-ci dans un environnement de sel fondu à 900°C.
Traitements thermiques post- projection
Les revêtements produits par projection thermique présentent généralement de nombreux défauts, porosité, fissures, contraintes résiduelles et une faible adhérence ; les raisons sont liées au procédé, à la nature du matériau à déposer, et au refroidissement rapide qui suit sa pulvérisation. Par conséquent, quand le revêtement est utilisé dans des environnements agressifs, des agents corrosifs peuvent s’infiltrer dans le revêtement et causer une dégradation de celui-ci. Pour pallier cette dégradation, différents post-traitements tels que le traitement par laser, le pressage isostatique à chaud (HIP), le frittage par plasma d’étincelle (SPS) et les traitements thermique sous vide ou sous gaz inerte sont préconisés. Aussi ces post-traitements sont envisagés dans le but d’amélioration de la microstructure pour des applications tribologique.
Traitement thermique sous vide ou gaz inerte : Les traitements thermiques sous gaz inerte sont des opérations qui consistent à faire varier la température en fonction du temps. Les conditions et les paramètres opératoires des traitements sont déterminés en fonction de la nature du revêtement et de ses conditions d’utilisation.
De manière générale, un traitement thermique sous vide ou gaz inerte est souvent privilégié pour l’amélioration de la qualité du revêtement projeté thermiquement pour des applications chimiques et tribologiques avec un faible coût. Il présente plusieurs avantages, à savoir :
Accélérer la formation des couches de diffusion aux interfaces. Cuong et al ont étudié l’effet du traitement thermique à 550°C sur l’évolution microstructurale et la variation de la microdureté. Les observations microstructurales montrent la formation des couches de diffusion à l’interface revêtement / substrat. Améliorer la cohésion entre les spalts et augmenter la micro dureté ce qui limite l’usure du dépôt. Eliminer les contraintes résiduelles, stabiliser la structure du revêtement, et améliorer la liaison entre les couches du revêtement. Diminuer la porosité du revêtement, ce qui minimise la diffusion des agents agressifs et préserve l’interface revêtement/substrat .
Frittage par plasma d’étincelles (SPS) : Parfois, le traitement thermique sous un gaz inerte n’est pas suffisant pour améliorer les propriétés des revêtements projeté thermiquement, et dans ce cas la technique de traitement thermique de frittage par plasma d’étincelle est appliquée. Un plasma d’étincelle est généré par un courant électrique à haute pulsation ; la décharge produit, en traversant une poudre, un état de fusion local momentané pouvant atteindre des températures de dix mille degrés. Au cours de ce processus (SPS), les surfaces des particules en contact s’agglomèrent les unes aux autres en formant un col caractéristique à un assemblage par frittage. En raison de ses caractéristiques uniques, le SPS peut également être utilisé comme une méthode de traitement thermique pour ;
Consolider un compact homogène et de haute qualité grâce au chauffage uniforme, à la purification de la surface et à l’activation réalisée par la dispersion des points d’étincelle, comme l’exemple d’une poudre composite nanocristalline de type WC-6.29Co préparée par décomposition thermique par pulvérisation, ensuite cette dernière est consolidée par frittage par plasma d’étincelles (SPS), et aussi pour fabriquer divers types de matériaux, par exemple Ti₃ SiC₂ , Al₂ O₃ , AlN, ZrO₂ , WC-10Co, et TiO₂ , etc.
Densifier les matériaux poreux dans le but d’amélioration de la microdureté et la force d’adhérence. B. Pataras et al ont rapporté que La force d’adhérence et la microdureté des revêtements de zircone stabilisée à la magnésie après le traitement SPS a été multipliée par trois par rapport au revêtement tels que pulvérisés.
Pressage isostatique à chaud (HIP) : C’est une application de post-traitement qui consiste à placer des lots d’échantillons enrobés à l’intérieur d’un four qui est contenu dans une cuve sous pression. Les échantillons enrobés sont normalement encapsulés afin d’éviter les fissures de surface qui peuvent entraver les conditions imposées par HIP. Cette mesure de sécurité limite la forme et la taille des échantillons .
L’effet de ce genre de post-traitement sur les revêtements projetés thermiquement est mené dans la littérature. Des revêtements de cermet WC-NiCrBSi pressés isostatiquement à chaud (HIP ed) à des températures de 850 à 1200 °C, où il a été démontré que les deux températures amélioraient de manière significative la résistance à l’usure par glissement des couples d’essai S. Stewart, et al ont investigué l’influence du post-traitement, le pressage isostatique à chaud (HIP ing) sur les performances des revêtements (WC-12% Co) obtenus par projection thermique, notamment la résistance à la fatigue de contact par roulement (RCF). Ils ont trouvé que la microstructure des revêtements projetés thermiquement est considérablement améliorée par densification des micro-vides entre les pores à des températures élevées de HIPing. Aussi, une diffusion produite à l’interface substrat/ revêtement, en formant une couche de 50µm d’épaisseur, permis d’une amélioration significative des performances de la RCF.
Traitement de refusion au laser : La refusion au laser offre un processus de chauffage plus contrôlé que les autres procédés de post-traitement : l’utilisation d’une large gamme de densité spectrale permet d’obtenir des profils de température précis à des endroits choisis et à des profondeurs différentes dans le revêtement. Pendant le processus de refusion au laser, trois facteurs sont à prendre en considération pour contrôler la densité linéaire de l’énergie ; Il s’agit de la durée de l’impulsion, la vitesse du spot de balayage et la densité d’énergie. La durée de chaque cycle de traitement laser (d= 1/f) est calculée à partir de la fréquence choisie (f).
Ce post – traitement améliore les propriétés microstructurale, mécaniques et chimiques des revêtements projetée thermiquement sans affecter les propriétés et les dimensions du substrat. J.Tuominen et al ont rapporté que les revêtements à haute teneur en chrome et nickel-chrome obtenues par la projection thermique HVOF possèdent une meilleure résistance à la corrosion après la refusion au laser ; cela est principalement dû à la formation d’une couche d’oxyde dense permettant de réduire la pénétration des sels fondus à travers la surface revêtu et aussi à l’homogénéisation complète de la structure pulvérisé . D’autres chercheurs ont étudiée l’effet de ce traitement sur l’évolution microstructurales et le comportement mécaniques des revêtements d’alliage à base de Nickels produits par deux techniques de projection thermique : la pulvérisation à la flamme et la projection HVOF. Les résultats obtenus montrent que ce post-traitement augmente la dureté et densifier la microstructure favorable pour des applications tribologiques et chimiques. De plus, une augmentation remarquable de la force d’adhérence presque 10 fois par rapport aux revêtements non traité thermiquement.
Etude électrochimique
Généralité sur la corrosion : La corrosion est le résultat d’un processus d’oxydo-réduction de la surface d’un matériau avec le milieu environnant. Sa réactivité en fonction du temps est estimée à travers l’établissement des courbes de densité de courant – potentiel. La corrosion génère des modifications de la composition du métal et de son environnement. Par conséquent, elle détruit l’équivalent environ de 3 à 5% du produit intérieur brut. Parmi les différentes techniques de lutte contre ce phénomène, les revêtements sur les métaux et alliages ; l’efficacité des dépôts dépend principalement de la microstructure, de pores ouverts et de fissures interlamellaires existantes par lesquelles des agents corrosifs peuvent pénétrer jusqu’au substrat et produire une corrosion galvanique entre deux phases ou constituants du dépôt lui-même. Les espaces entre les lamelles sont également à l’origine de corrosion caverneuse. Le colmatage d’un dépôt poreux peut diminuer significativement le risque de corrosion galvanique et générale.
Techniques électrochimiques : L’étude des processus électrochimiques nécessite l’utilisation des techniques électrochimiques ; d’un point de vue phénoménologique, la caractérisation de l’adsorption est possible par le suivi du potentiel en circuit ouvert, indiquant la modification de l’interface entre un métal et son environnement. L’aspect quantitatif est étudié par l’utilisation de courbes potentiodynamiques, de spectroscopie d’impédance électrochimique, etc. Elles permettent de déterminer les vitesses de réaction, le potentiel et le courant de corrosion, la résistance à la polarisation, et les valeurs de paramètres physiques décrivant l’état du système (capacité de la double-couche, résistance de transfert de charge, …). Les méthodes électrochimiques sont classées en deux types : stationnaires et transitoires.
Table des matières
Introduction générale
Chapitre I Etude Bibliographique
I.1 Elaboration des dépôts par projection thermique
I.1.1 Généralité
I.1.2 Principe des techniques de projection thermiques
I.1.3 Les procédés
I.1.3.1Procédés à combustion
I.1.3.1.1 Torches à flamme
I.1.3.1.2 La flamme supersonique (HVOF)
I.1.3.1.3 Détonation gun (D-Gun)
I.1.3.2 Procédés à plasma
I.1.3.2.1 Torches à plasma
I.1.3.2.2 L’arc électrique
I.1.3.2.3 Plasma à l’arc transféré (PTA : plasma transfered arc
I.1.4 Construction des dépôts
I.1.4.1 Formation de la porosité
I.1.4.2 Contraintes résiduelles
I.1.4.3 Adhérence
I.2 Revêtements en alliages à base de Nickel
I.3 Traitements thermiques post- projection
I.3.1 Traitement thermique sous vide ou gaz inerte
I.3.2 Frittage par plasma d’étincelles (SPS)
I.3.3 Pressage isostatique à chaud (HIP)
I.3.4 Traitement de refusion au laser
I.4 Caractérisations mécaniques des dépôts
I.4.1 Mesure de la dureté
a- L’essai de dureté Vickers
b-Calcul de la dureté à partir de la fonction charge (P) – profondeur (h)
I.4 .2 Adhérence et test de rayure (scratch test)
I.5 Etude Tribologique
I.5.1 Généralités sur les surfaces
I.5.2 Le concept du troisième corps
I.5.3 L’usure et le frottement
I.5.4 Les Principaux types d’usure
I.5.4.1 Usure par abrasion
I.5.4.2 Usure par adhésion
I.5.4.3 Usure par fatigue
I.5.4.4 Usure par réactions tribochimiques
I.5.5 Evaluation de l’usure
I.6 Etude électrochimique
I.6.1 Généralité sur la corrosion
I.6.2 Techniques électrochimiques
I.6.2.1 Techniques stationnaires
I.6.2.1.1 Potentiel en circuit ouvert E= f(t)
I.6.2.1.2 Les courbes de polarisation
I.6.2.2 Techniques transitoires
I.6.2.3 Représentation traditionnelles des données
I.6.2.4 Utilisation des schémas des circuits électriques équivalents
Chapitre II Matériaux et Techniques Expérimentales
Introduction
II.1 Matériaux
II.1.1 Substrat
II.1.2 Matériau d’apport
II.1.3 Dispositif de projection par flamme Oxyacétylénique « flamme-poudre »
II.2 Traitement thermique des échantillons sous gaz inerte
II.2 .1 Lois de Fick
II.2 .2 Diagrammes d’équilibres et formation des composés intermétalliques
II.3 Techniques d’analyses et méthodes de caractérisation
II.3.1 Microscopie électronique à balayage
II.3.2 Diffraction des rayons X
II.3.3 Profilométrie optique
II.3.4 Mesure de porosité
II.3.5 Caractérisation des propriétés mécaniques
II.3.5.1 Microdureté Vickers
II.3.5.2 Tests d’usures
II.3.5.3 Scratch test
II.3.6 Caractérisation électrochimiques
II.3.6 .1 Courbe de polarisation potentiodynamique
II.3.6 .2 Spectroscopie d’impédance électrochimique
Chapitre III Résultats et Discussion
III.1 Introduction
III.2 Répartition granulométrique de la poudre projetée P21
III.3 Analyses microstructurales du revêtement avant et après traitements thermiques
III.3.1 Analyse microstructurale du revêtement d’alliage à base de Nickel avant traitements thermiques tel que pulvérisé
III.3.2 Microstructure du revêtement après traitements thermiques
III.3.3 Analyse structurale
III.4 Propriétés Mécaniques
III.4.1 Mesure de la Microdureté et de la porosité
III.4.2 Profil de microdureté
III.4.3 Adhérence des revêtements
III.4.4 Résistance à l’usure
III.4.4.1 Evolution des coefficients de frottement (μ) sous charge de 4N pour substrat et revêtement non traité
III.4.4.2 Evolution des coefficients de frottement (μ) sous charge de 6N pour les revêtements traités et non traité
III.4.4.3. Observations MEB et analyses EDS des pistes d’usure et Mise en évidence des mécanismes d’usure
III.4.4.4. Analyse quantitative de l’usure par profilométrie : Calcul du taux d’usure
III.5 Comportement à la corrosion
III.5.1 Comparaison entre le substrat et le revêtement tel que pulvérisé
a- Courbes potentiodynamiques
b- Diagrammes d’impédance électrochimique (SIE)
III.5.2 Effet Des Traitements Thermiques
a- Courbes potentiodynamiques
b- Diagrammes d’impédance électrochimique
III.5.3 Observation MEB des surfaces après essais de corrosion
Conclusion
Références bibliographiques
