Élaboration et étude de l'endommagement de dépôts composites obtenus par projection dynamique par gaz froid ("cold spray") : application aux contacts électriques

Electrical contacts, for use in contactors and circuit breakers, mainly govern the lifetime of electrical devices. Silver-based metal matrix composites (MMC's) are commonly employed to set and break the electrical contact. This kind of MMC is currently produced using powder metallurgy (P/M) operations before being brazed on copper substrates. The cold gas dynamic process could be an alternative to this classical P/M route. This process is based on the acceleration of powder particles through a De Laval nozzle. Then, particles impinge on a susbtrate to form a dense and oxide-free coating. The objective of the present work is to demonstrate the feasibility of the process for achieving electrical contacts. The spraying of silver powder has been optimized before studying composite coatings. Various characterization methods such as X-ray microtomography and TEM have been used to quantify porosity and investigate into bonding mechanisms. Such investigations are necessary to provide a better knowledge on microstructure-damage relationships. Coatings have also been tested at the contact scale. For this, tensile tests were performed on samples which have been machined from thick coatings. An original laser test was developed to induce a thermomechanical load into the microstructures. The combination of these tests permitted to rank the cold-sprayed microstructures as a function of the induced damage. On the other hand, a model based on mathematical morphology concepts is proposed to simulate coating building-up. From the whole study, the principal factors which have an influence on the coating properties (powder size, grain size, ...) were identified. Consequently, several microstructures could be selected to achieve electrical contacts. Cold-sprayed contact lifetime was determined using standard industrial bench testing. Satisfactory results, i.e. which compare well with those for conventional P/M products, were exhibited.Les contacts électriques, utilisés dans les contacteurs et les disjoncteurs, sont des composants fortement sollicités dont le comportement influence la durée de vie des appareils. Les pastilles de contacts électriques, en matériaux composites à matrice d'argent, sont actuellement élaborées par des opérations classiques de métallurgie des poudres avant d'être assemblées par soudage sur des supports contacts. Un procédé envisagé pour le remplacement de la méthode classique d'élaboration est celui de la projection dynamique par gaz froid communément appelé cold spray. Dans ce procédé, des particules de poudre sont accélérées au moyen d'une tuyère de Laval avant d'aller s'écraser sur un substrat en formant un dépôt par empilement. L'objectif de ce travail est de démontrer le potentiel de ce procédé pour la réalisation de contacts électriques. La démarche retenue s'appuie sur le triplet élaboration, caractérisation et simulation numérique. La souplesse du procédé cold spray a rendu possible l'élaboration d'une large gamme de microstructures composites en ayant optimisé au préalable la projection de la matrice d'argent. La caractérisation de ces microstructures a été menée à différentes échelles, notamment fine pour quantifier la porosité par microtomographie et très fine pour élucider les mécanismes interfaciaux d'adhésion et de déformation survenant lors de l'impact par microscopie électronique en transmission. Ces investigations poussées sont nécessaires pour comprendre le comportement de la matrice d'argent dans un premier temps. Les dépôts composites font l'objet d'études complémentaires, les données disponibles dans la bibliographie étant rares. D'un point de vue plus macroscopique, les microstructures ont été éprouvées par des moyens d'essais classiques ou développés pour les besoins de cette étude en s'appuyant notamment sur les effets engendrés par une impulsion laser. Parallèlement, des calculs par éléments finis ont permis de mieux comprendre les phénomènes induits par un tir laser et donc, par extension, par un arc électrique. Pour compléter cette démarche, une simulation numérique originale basée sur un modèle d'empilement faisant appel à la morphologie mathématique propose de relier microstructure réelle et microstructure simulée, le but étant de prévoir la morphologie d'une microstructure uniquement à partir de la caractérisation de quelques particules. L'ensemble des résultats obtenus a permis d'identifier les facteurs dont dépendent les propriétés d'un dépôt (granulométrie des poudres, taille de grains,...) et ainsi de choisir des microstructures en vue de la réalisation de contacts électriques. L'endurance de prototypes de contacts fabriqués par cold spray a été déterminée sur banc d'essais de contacteurs industriels. Elle a été montrée comme largement compétitive avec celle des contacts industriels actuels réalisés par métallurgie des poudres classiques