Study of thermal spray for plasma torch under cery low pressure

Au cours de la dernière décennie, la technologie de projection à la torche à plasmasous très faible pression (VLPPS) (inférieure à 10 mbar) a attiré l’attention denombreux chercheurs car ce procédé permet d’envisager la possibilité de réaliser desdépôts de structure voisine de celle des dépôts en phase vapeur avec une cinétiqueproche de celle de la projection thermique classique. Cette technologie vise donc àévaporer totalement ou partiellement des poudres afin de déposer des revêtementsdenses avec une structure colonnaire ou mixte.Le travail effectué dans cette étude à consisté à étudier et à développer des moyenspour assurer la fusion et l’évaporation de matériaux céramiques en vue d’élaborer desrevêtements de haute qualité et à caractériser les propriétés de ces revêtements.Dans une première approche des dépôts denses et homogènes de zircone stabilisée àl’yttrine (YSZ) ont été obtenus sur un substrat « inox » en utilisant des torches àplasma « classiques » de type F100 et F4 sous très faible pression (1 mbar) en utilisantde façon originale un principe d’injection axiale via l’alimentation en gazplasmagènes. Un spectromètre d’émission optique a été utilisé pour analyser lespropriétés du jet de plasma et notamment apprécier le taux d’évaporation du matériau.La composition et la microstructure des dépôts ont été caractérisées par diffraction desrayons X et microscopie électronique à balayage. Les résultats ont montré que lapoudre YSZ a été partiellement évaporée et que les dépôts obtenus disposent d’unemicrostructure hybride composée de « splats » formés par des particules fondues etune « matrice » (en faible quantité) résultant de la condensation de vapeurs provenantde l’évaporation des particules surchauffées.Afin de tenter d’augmenter le taux de vaporisation, l’anode de la torche F100 a étéallongée et un dispositif d’arc transféré complémentaire a été réalisé afin d’éleverl’énergie du jet de plasma et de favoriser l’échange thermique. Les effets de cedispositif sur les propriétés du jet de plasma ont été évalués par spectrométried’émission optique et calcul de la température électronique. Des dépôts de YSZ etd’alumine (Al2O3) ont été élaborés à la pression de 1 mbar. Les dépôts de YSZ ontaffiché une microstructure hybride similaire à celle obtenue précédemment alors quepour les dépôts d’alumine, seul un dépôt lamellaire « classique » a été observé. Lacapacité d’évaporation est donc restée limitée. La microstructure, les propriétésmécaniques et les propriétés de résistance aux chocs thermiques des dépôts de YSZont été étudiées plus en détail et comparées avec celle de dépôts réalisés dans desconditions plus classiques. Une tenue améliorée en termes de résistance aux cyclagesthermiques a notamment été observée.Afin de répondre aux attentes en matière de niveau de densité de puissance du jet lelaboratoire s’est équipé d’une une nouvelle torche à plasma tri-cathode expérimentaleélaborée par la société AMT. Cette torche a été modélisée et testée dans un premiertemps en conditions atmosphériques, révélant une limitation importante du rendementde projection. A partir de ces premiers résultats expérimentaux une nouvellegéométrie de buse a été proposée afin d’améliorer le rendement de projection. Il aalors été constaté que le rendement de la projection avait été considérablementaugmenté par cette modification et que la microstructure du dépôt était également plusfavorable. Ce travail devra maintenant se poursuivre par l’intégration de cette torche dans l’enceinte sous pression réduite.During the last decade, very low pressure plasma spraying (VLPPS) technology(below 10 mbar) attracted attention because it could allow to produce coatings with astructure similar to that of vapor deposited materials (PVD) with kinetics close to thatof thermal spray. This technology aims to fully or partially evaporate the feedstockmaterials in order to build rapidly dense, thin, and columnar coatings.The work during this thesis preparation was thus devoted to the study anddevelopment of tools and techniques allowing fusion and evaporation of ceramicmaterials in order to obtain high quality deposits with new performance and then tocharacterize the properties of those deposits. In a first approach dense and homogeneous yttria-stabilized zirconia (YSZ) coatingswere deposited successfully on a stainless steel substrate using “classical” plasmaspray torches such as F100 and F4 under very low pressure (1 mbar) by means ofusing an original way of introducing the feedstock material in the core of the plasmajet via the plasma gas port. Optical emission spectroscopy was used to analyze theproperties of the plasma jet and especially to observe the feedstock materialevaporation rate. The phase composition and the microstructure of the coatings werecharacterized by X-ray diffraction and scanning electron microscopy. Results showedthat the YSZ powder was partially evaporated and that the coatings possessed aduplex microstructure which was composed of splats formed by the impingement ofmelted particles and a little amount of a matrix formed by the condensation of thevapor emitted by overheated particles.In order to try and increase the evaporation rate, a home-made transferred arc nozzlewas made and mounted on a F100 plasma torch in order to enhance the energy levelof the plasma jet and then to increase thermal exchanges. The effects of thetransferred arc nozzle on the plasma jet properties were evaluated by optical emissionspectroscopy and electron temperature calculation. YSZ and alumina (Al2O3) coatingsWere elaborated using such a nozzle below 1 mbar. It was found that the YSZ coatingsdisplayed a duplex microstructure similar to that obtained in the previous experiments.However, no vapor condensation could be observed in the case of the Al2O3 coatingsindicating that the evaporation capacity of the system remained limited.The microstructure, the mechanical properties and the thermal shock resistance of theYSZ coatings were studied in more details and compared to that of deposits madeusing classical thermal spray routes. An enhanced resistance to thermal shock couldthus be observed for the coatings with a duplex structure.In order to find a solution for a substantial increase in the energy density of theplasma jet, the laboratory commissioned a novel experimental tri-cathode plasmatorch made to the AMT Company. This new torch was modeled and first testedunder atmospheric conditions, which revealed a poor spray yield. Following thosefirst experimental results, a modified nozzle was designed. As a result, the sprayefficiency was considerably increased and the coating fabricated by the tri-cathodetorch displayed a better microstructure. Now this work has to be pursued with theintegration of this torch in the low pressure spray tank