Study on preparation and characterization of aluminum alloy and magnesium alloy coatings for the repair of aircraft parts using cold spray process

La réparation des composants en alliages légers est un processus clés dans le domaine de l’aéronautique. Ces alliages sont abondamment utilisés dans les constructions aéronautiques notamment pour des composants à forte valeur ajoutée. Leur utilisation combinée à une optimisation de la conception des pièces permet de disposer de produits satisfaisants aux exigences de masse, de coût et de performances. Cependant l’utilisation de ces pièces est limitée dans le temps car divers endommagements peuvent survenir aussi bien lors de leurs manipulations que lors de leurs utilisations en service. Des solutions de retouches existent mais ne permettent pas toujours de redonner leur intégrité aux zones affectées. Ces limitations sont à l’origine d’un fort taux de rebut parmi les pièces à forte valeur ajoutée.Les multiples avantages du procédé Cold Spray en font un candidat idéal pour la projection de revêtements adaptés aux composants en alliages légers mis en oeuvre en aéronautique, que ce soit dans une logique de protection, de retouche ou de réparation. Il s’agit de reconstruire la pièce par un revêtement aux caractéristiques les plus proches possibles de celles du matériau de base. Ce travail de thèse consiste à optimiser l’ensemble des paramètres du procédé de projection dynamique à froid (Cold Spray) pour plusieurs couples substrat-revêtement combinant différents alliages d'aluminium, de magnésium et des composites à matrice métallique à base aluminium.La première étape a consisté à optimiser les paramètres principaux du procédé Cold Spray afin de s’affranchir du phénomène de colmatage pouvant intervenir au sein de la section divergente de la buse de projection. Ce phénomène a pour effet de diminuer la vitesse des particules, les revêtements obtenus devenant alors assez poreux. Une étude s’est ensuite focalisée sur l’optimisation de l’adhérence des couples substrats-revêtements. Il a été démontré le rôle primordial de la préparation de surface dans l’adhérence des revêtements où l’ancrage mécanique apparaît prépondérant. Enfin, une étude originale a été conduite pour mettre au point une méthodologie pour recharger localement une zone défectueuse sans avoir à recouvrir toute la surface du substrat. Une programmation hors ligne du robot a été employée afin de recouvrir deux types de défaut pré-usinés sur des blocs d’alliage d'aluminium. Les résultats sont satisfaisants avec des gains en temps de projection et des dépôts sans défaut après usinage.The repair of light alloy parts is a major issue in aeronautics. Aluminum alloy and magnesium alloy are widely used in aircraft parts, especially for high value-added components. Their use combined to optimizing design allows to have satisfactory products meeting mass, cost and performance requirements. However, like any other life-limited components, various damages can occur not only during handling procedure but also while operating. Rectification solutions exist but do not always comply with requirements. These limitations entail high scrap rates among high value-added parts.The various advantages of the cold spray process make it an ideal candidate for suitable coatings for light alloy aircraft components as protective, retouching or repair methods. The aim is to rebuild the damaged part by a coating whose characteristics are closest to those of primary materials. This thesis proposes to optimize different cold spray parameters for several substrate-coating pairs combining different aluminum alloys, magnesium alloys and aluminum alloy-based metal matrix composites.The first step was to optimize the main parameters of cold spray process to prevent clogging phenomenon that may occur in the expansion part of the nozzle. It decreases particle kinetics and promotes porous coating. Then, adhesion optimization of substrate-coating couples was investigated. The substrate surface preparation is a key factor on coating adhesion, where the mechanical anchoring appears essential. Finally, an innovative study was conducted to develop a method to cover locally surface defects. Offline programming trajectories were used to fill up two kinds of pre-machined defaults on aluminum alloy blocks. Results are in good agreement with spray time savings and defect free coatings after machining