Procédé de projection plasma à pression atmosphérique

A ces techniques peut être ajoutée la technique de projection à froid, communément appelée Cold Gas Spray (CGS) basée uniquement sur la densité de mouvement d’un jet gazeux et ne conduisant pas à la fusion du précurseur contrairement aux techniques de projection thermique. La projection thermique peut être réalisée dans différentes atmosphères. Lorsqu’elle se fait dans l’air ambiant, on parle de projection plasma à pression atmosphérique (APS suivant l’appellation anglaise Atmospheric Plasma Spraying). Elle peut se faire également dans une atmosphère particulière comme la projection sous vide ou vide partiel (VPS pour Vacuum Plasma Spraying ou VPPS pour Vaccum Partial Plasma Spraying), ou en atmosphère contrôlé (CPS pour Controlled Atmosphere Plasma) comme la projection en atmosphère inerte ou au contraire en atmosphère réactif [29]–[32].  Le principe de la projection plasma est basé sur l’ionisation d’un gaz plasmagène. Il consiste à faire éclater un arc électrique entre une cathode et une anode, de le souffler avec un gaz pour former un jet dans lequel on introduit le matériau à déposer. La cathode conique située à l’intérieur de l’anode cylindrique et l’anode cylindrique constituent les deux électrodes de la torche à plasma. Le gaz plasmagène injecté est l’argon, mélangé éventuellement avec de l’hydrogène ou de l’hélium voire de l’azote. Il circule entre les deux électrodes où il est ionisé pour former un plasma généré par l’arc électrique. Le matériau à projeter est directement introduit dans le jet sous forme de poudre à l’aide d’un gaz porteur (généralement de l’argon ou de l’air comprimé) ou mis en suspension.

Une partie du gaz est fortement chauffée par effet joule; elle est partiellement ionisée et forme un volume de plasma appelé colonne d’arc. Dans cette colonne, le courant électrique circule entre la pointe de la cathode et un point de l’anode appelé pied d’arc. Autour de la colonne d’arc, une couche limite chaude de température supérieure à 6 000 K se développe en même temps qu’une partie du gaz plasmagène s’écoulant le long de l’anode et forme une couche limite froide. Celle-ci gaine la colonne d’arc et assure en grande partie sa stabilité. Son épaisseur est conditionnée par le débit et la nature du gaz, son mode d’injection, l’intensité du courant d’arc et la géométrie de la chambre d’arc. Le flux thermique transféré à la paroi de l’anode au Remarquons que l’épaisseur de la gaine froide varie en sens opposé du rayon électrique de l’arc Rc. Ce dernier croît avec le courant d’arc, diminue fortement avec l’introduction d’un gaz diatomique comme H2 ou N2, qui ont des conductivités thermiques élevées, et décroît de façon moins marquée avec le débit de gaz. Il dépend  L’ionisation du gaz dans l’arc électrique et la dissociation des gaz diatomiques génèrent des hautes enthalpies et donc des hautes températures du plasma (températures généralement entre 12 000 et 15 000 K). Les vitesses en sortie de tuyère caractéristiques des jets de plasma sont entre 500 et 800 m/s.  Les matériaux à projeter sont généralement sous forme de poudres, de solutions ou de suspensions, et sont injectés dans le jet plasma radialement, axialement ou selon un angle donné par rapport à l’axe du jet selon la configuration du dispositif de projection.

Préparation de la surface à revêtir

Avant de réaliser le revêtement par projection plasma, il est nécessaire de préparer la surface sur laquelle les particules du matériau d’apport vont être projetées afin d’assurer son adhérence. La nature des matériaux du substrat ainsi que la taille des particules projetées déterminent le type et le grade de préparation de la surface : propreté, rugosité et dans certains cas l’usinage [36]. Les opérations d’usinage concernées sont généralement le tournage et le fraisage. Le tournage est nécessaire pour préparer les bords de la surface à revêtir avec des chanfreins et éliminer les bords aigus qui favorisent la propagation des fissures tandis que le fraisage permet d’obtenir une texture de surface adaptée pour compenser les fortes contractions dues aux contraintes lors de la formation et de la solidification des lamelles.