Elastic and plastic behavior of thermal spray coatings : characterization method development for mechanical properties and comparisons with properties determined by indentations tests

Les dépôts élaborés par projection thermique sont largement utilisés pour des applications de hautes performantes grâce à leurs propriétés mécaniques élevées (dureté et module d’Young). La détermination de ces propriétés est donc importante. Elles sont habituellement mesurées par des méthodes d’indentation en utilisant des indenteurs Vickers, Knoop et Berkovich. Mais ces méthodes de mesure nécessitent des équipements sophistiqués, une préparation rigoureuse des surfaces et la réalisation qui les rend coûteuse et difficile à mettre en oeuvre. Les travaux de cette thèse portent sur l’étude de la résistance à la perforation comme méthode alternative pour déterminer les propriétés mécaniques de dépôts céramiques élaborés par projection plasma. Pour ce faire, six poudres de compositions chimiques les plus souvent utilisées au niveau de l’industrie ont été sélectionnées pour élaborer les dépôts par projection plasma : Al2O3, TiO2, Al2O3-15wt % TiO2, Al2O3-43wt % TiO2, YSZ et Al2O3-YSZ. Les propriétés physico-chimiques et mécaniques des dépôts ont été déterminées. Les macro et micro duretés ont été déterminées par des indentations Vickers, le module d’Young a été calculé à partir des mesures de la micro dureté Knoop et la ténacité à la fracture a été déterminée à partir des résultats de micro dureté Vickers. La résistance à la perforation en mode statique a été conduite en utilisant des forets pour le perçage de verre et en traçant des courbes de charges (P) en fonction de la profondeur (h) d’enfoncement de la pointe du foret dans la surface du dépôt. Des rapports entre la charge et les aires de contact et de la section transversale de la pointe du foret (P/Ac et P/At respectivement), correspondant à la profondeur de pénétration du foret, ont été établis, permettant de définir la dureté par perforation statique (HDs). A partir des pentes ΔP/ΔAc et ΔP/ΔAt lors de la décharge des courbes P-h, le module d’élasticité par perforation statique (Es) a été déterminé. HDs et Es ont montré une bonne correspondance avec la micro dureté et le module d’Young déterminés par les méthodes classiques d’indentation et une haute reproductibilité des résultats. L’apparition de fissures et d’écaillage sur la surface des dépôts lors de l’étape de charge a mis en évidence une réduction de la pente des courbes P-h qui pourrait être utilisée pour trouver des corrélations avec la ténacité à la fracture. Sous le mode dynamique, les essais de résistance à la perforation ont été conduits en utilisant des forets pour le perçage des métaux (de type HSS) et pour la maçonnerie. Les rapports entre la charge appliquée et les aires de contact et de la section transversale (P/Ac et P/At respectivement) pour une profondeur h de la pointe du foret dans la surface des dépôts ont été utilisés pour calculer la dureté par perforation dynamique (HDD). Les résultats ont montré une bonne correspondance avec la micro dureté Vickers malgré la plus faible reproductibilité que ceux obtenus en mode statique.Thermal sprayed ceramic coatings are highly used in application where high performance regarding to mechanical properties are required. Thus it is essential to determine the coatings’ mechanical properties (hardness, Young modulus and fracture toughness), which is made by classical indentation methods using Vickers, Knoop and Berkovich indenters. Those methods use sophisticated devices, rigorous sample preparation and demanding time processes in execution and data analysis that make them expensive and complicated in implementation. This research is focused tostudy the drilling resistance as an alternative method to measure the mechanical properties of atmospheric plasma spray ceramic coatings. For these purpose powders of six chemical compositions most widely used in industrial applications were employed as feedstock powders to manufacture coatings by atmospheric plasma spraying: Al2O3, TiO2, Al2O3-15wt % TiO2, Al2O3-43wt % TiO2, YSZ and Al2O3-YSZ. Physical, chemical and mechanical properties have been determined. Macro and micro hardnesses were determined by Vickers indentations, the Young’s modules werecalculated from Knoop micro hardness measurements and fracture toughness from Vickers micro hardness. Static drilling resistance tests were carried out with commercial drill bits used to perforate glass plotting the applied force (P). against the drill bit depth (h). Relationships between the applied force and the bit’s contact or cross sectional areas (P/Ac and P/At respectively) corresponding to the drilled depth (h) were used to set the Static Drilling Hardness (HDs).Furthermore, the slopes in the unloading stage corresponding to ΔP/ΔAc or ΔP/ΔAt were used to calculate the Static Drilling Elastic Modulus (Es). The HDs and Es results exhibit both well fit with the micro-hardness and Young modulus measurements made by classical methods and high reproducibility in the results. It was observed that cracks and spalling produced on the coatings surfaces during loading reduce the slope of the P vs h plot which could be used in future studies to correlate to the toughness of coatings. Dynamic drilling tests using bits to perforate metals (HSS) andmasonry were also carried out. The ratios between applied load and contact or cross sectional areas (P/Ac and P/At respectively) corresponding to the depth (h) of the hole drilled on each coating were used to calculate the Dynamic Drilling Hardness HDD which shows a good fit with the measured hardness on the surface of coatings realized by micro-indentation Vickers but lower reproducibility than those obtained with static drilling hardness results