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De la particule de poudre à la pièce industrielle

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La projection dynamique par gaz froid (cold spray) s'utilise, de plus en plus, dans de nombreux secteurs de l'industrie. Le procédé s'apprécie surtout pour sa capacité à déposer des poudres, le plus souvent métalliques, à haute vitesse (largement supersonique, en général), pour former des revêtements.

Le cold spray, comme bon nombre d'innovations, est né par hasard. Son principe a été découvert incidemment, au milieu des années 1980, par Anatoli Papyrin, qui menait des études sur les écoulements supersoniques de gaz sur maquettes en soufflerie, par la mécanique des fluides. Il a observé que les particules utilisées comme traceurs dans l'écoulement pouvaient venir adhérer sur les maquettes, dans certaines conditions de vitesse. L'idée d'exploiter ce phénomène en vue de la réalisation de revêtements était née. Pour l'anecdote, ces essais furent menés par Anatoli Papyrin dans un institut de mécanique, l' Institute of theoretical and applied mechanics (Itam), de l'Académie des sciences russe, à Novosibirsk, en Sibérie, dans le cadre d'études stratégiques dictées par la guerre froide. Le froid a donc présidé, à double titre, à la naissance d'un procédé qui l'a logiquement gardé comme caractéristique première.

Le cold spray s'inscrit dans la lignée des procédés de métallurgie des poudres par « compaction dynamique » qui comptaient parmi les plus évolués dans les années 1980. Ceux-ci, à l'époque, employaient le plus souvent des explosifs pour conférer une très haute vitesse à la poudre en vue de sa densification et intéressaient, en priorité, des applications militaires.

Aujourd'hui les applications du cold spray vont du classique dépôt de cuivre à la fabrication additive de composants hybrides et/ou pièces de forme. Il est utilisé pour apporter à une pièce ou un produit, des propriétés électriques et magnétiques, des propriétés antimicrobiennes et bactéricides, des propriétés mécaniques, anti-usure et anticorrosion, pour la métallisation de polymères, le rechargement et la réparation et, aussi, la fabrication additive. Les matériaux de dépôt et de substrat auxquels il peut s'appliquer ne cessent de se diversifier (Fig. 1).

1. PRINCIPE

Un procédé de projection thermique

La projection thermique recèle dans son nom même les deux caractéristiques essentielles des procédés qui la composent. D'une part, la vitesse du gaz qui projette la poudre devant constituer le dépôt et, d'autre part, la température des particules (constituant la poudre) à laquelle elles sont portées par ce même gaz. Selon les valeurs pouvant être prises par ces deux caractéristiques, les différents procédés de la famille projection thermique se classent aisément (Fig. 2). En dehors du procédé de projection, l'autre paramètre essentiel est la poudre, dont le choix du procédé dépend.

Le domaine représentatif du cold spray s'étend sur une plage de vitesses variées. La température du gaz, elle, est toujours relativement modérée. Le principe du cold spray repose, en effet, sur le maintien des particules entièrement à l'état solide pendant leur projection ; leur densification, à l'impact sur le substrat, résultant de leur vitesse très élevée (pouvant être largement supersonique).

Concrètement, la poudre de projection est transportée par un gaz porteur (air ou un gaz neutre pour éviter l'oxydation), préalablement chauffé et comprimé, jusqu'à une vitesse supersonique. Le revêtement résulte de l'empilement des particules qui se déforment plastiquement à l'impact, chacune d'entre elles formant alors un « splat », aussi appelé écrasis ou lamelle (Fig. 3). Compte tenu de son principe, le cold spray s'applique d'autant mieux que le matériau projeté est déformable : c'est-à-dire, pour les métalliques, préférentiellement (car les plus déformables) les matériaux cubiques à faces centrées tels que l'aluminium, le cuivre, l'argent et l'or, puis les hexagonaux compacts comme le zinc ou le cobalt et les cubiques centrés comme le cobalt, le tungstène ou les réfractaires.

Bien utilisé, le procédé cold spray présente de nombreux avantages :

- Densité de dépôt proche de celle du massif correspondant

- Rendement « matière » très élevé, classiquement au-delà de 85 %

- Oxydation et, plus généralement, contamination du dépôt limitées voire inexistantes

- Chauffage du substrat réduit

- Pas de transformations de phases (pas de fusion et conservation des propriétés des poudres de départ, y compris les nanométriques

- Fortes épaisseurs de dépôts possibles (plusieurs millimètres)

- Adhérence des dépôts élevée (au moins comparable à celle obtenue en plasma ou flamme rapide) et forte cohésion entre particules au sein du dépôt

- Contraintes résiduelles de compression,

- Large gamme de matériaux envisageable

- Procédé sans préparation préalable systématique du substrat

- Pas de masquage des pièces à revêtir.

2. TECHNOLOGIE

Haute pression et basse pression

Le terme cold spray est générique. Il existe deux grands types de cold spray : celui dit à haute pression et celui dit à basse pression, selon que la pression du gaz se situe au-dessus ou au-dessous de 3,4 MPa. Plus précisément, on distingue les procédés par le mode d'injection de la poudre dans la buse : en amont du convergent de la tuyère pour le procédé à basse pression et en aval pour celui[…]

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