Projection thermique

Schéma de principe de la projection thermique

La projection thermique est un procédé en ligne de mire qui se présente sous la forme d’une torche (on parle également de chalumeau ou fusil de projection) avec une buse d’où est expulsé un gaz vecteur transportant la matière à déposer. La torche peut être manipulée comme un pistolet par l’opérateur ou bien montée sur un dispositif automatisé tel un bras robotisé.

Le gaz vecteur sert à accélérer et transporter jusqu'au substrat de fines particules (typiquement 5 à 100 micromètres) qui peuvent être à l'état liquide, pâteux voire solide. Ce gaz vecteur peut être aussi source enthalpique, permettant de chauffer ces particules jusqu'au point de fusion. D'autres procédés utilisent un arc électrique pour fondre le matériau.

Les particules ainsi projetées sur le substrat s'écrasent selon leur vitesse, état physique, température etc. formant des lamelles (ou splats).

L'accumulation et l'empilement des lamelles sur le substrat permet de réaliser le revêtement.

L’invention de la projection thermique est attribuée à Max Ulrich Schoop, un ingénieur suisse. Son idée était de réaliser des revêtements adhérents à partir d’impacts de particules issus d’une poudre chauffée venant s’écraser sur la pièce à traiter (substrat), pour réaliser des dépôts métalliques denses. Cette idée lui aurait été inspirée de l’observation de ses enfants tirant à la carabine sur le mur de son jardin où les balles de plomb formaient des impacts écrasés[2] - [3].

Il dépose deux brevets en Allemagne et en Suisse en 1909 [4] - [5]. Dans les revendications des brevets, le terme de projection thermique est défini comme "une méthode où le métal liquide est pulvérisé sur la surface au moyen d’une substance gazeuse sous pression". Les brevets de M. U. Schoop décrivent comment réaliser des dépôts de cuivre, d’argent, d’étain, de zinc, d’aluminium et d’autres alliages sur pratiquement tous types de substrats (métal, bois, verre, papier, tissus) par un apport de poudres finement divisées traitées par une flamme soufflante. Un gaz porteur peut aussi être utilisé pour accélérer et diriger le jet de poudres. Schoop voit dans son invention un procédé pratique et peu onéreux dans l’application des revêtements antirouille sur les ponts et les coques des navires.

L’utilisation d’un plasma comme source de chaleur n’apparait que dans les années 60 dans un contexte d’émulation autour des plasmas thermiques générés par arc électrique [6]. Les premiers brevets sont ceux de Gabriel M. Giannini en 1960 (Plasmadyne Corp., Californie, USA) [7] et de Robert M. Gage en 1962 (Union Carbide, Buffalo, NY, USA) [8]. Ils s’inspirent du générateur plasma haute température de H. Gerdien et A. Lotz (1922) [9].

Dans les années 1980 est développé en URSS la technique de projection dynamique à froid (Cold Spray) à partir de l'observation accidentelle de la formation rapide de dépôts lors de l'érosion de particules exposées à un écoulement grande vitesse chargé de poudre fine[10].

Il existe de nombreuses manières de réaliser la projection thermique, mais les plus couramment utilisées dans l'industrie sont dits par projection par chalumeau "flamme-fil", par arc-fil, "flamme-poudre", flamme supersonique, à arc électrique ou encore "High Velocity Oxy-Fuel" (HVOF) ou au plasma (plasma d'arc soufflé...)[11] - [1].

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  Procédé gaz-flamme.
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  Procédé plasma.

Un très grand nombre de matériaux sont utilisables avec l'ensemble des techniques ou avec une en particulier en forme de poudres, fils ou cordons. Tous matériaux peuvent être projetés. Cependant, les matériaux qui fondent en se décomposant tels que l'hydroxyapatite ou YBCO ou ceux qui n'ont pas point de fusion, tel que graphite, doivent être préparés avec plus de précautions. Soit par l'optimisation de paramètres de la projection (hydroxyapatite partiellement fondu), soit par une préparation de poudres avec les particules enrobées (graphite enrobé par nickel).

Plusieurs matières organiques peuvent être projetées par les torches appropriées.

Les métaux et les céramiques sont traditionnellement fréquemment employés, ils peuvent aussi être utilisés en composites pour modifier les propriétés du revêtement. Par exemple, les composites de carbures de tungstène (WC) avec du cobalt (Co) ou du Nickel (Ni) sont très souvent projetés. La particularité du WCCo est une forte augmentation de la dureté de la pièce de l'ordre de 900 à 1 000 HV.

Dans les applications industrielles, les substrats sont généralement des pièces métalliques et des alliages, mais il est possible de traiter toute sorte de surface comme des bétons, des céramiques, des composites, du bois et des verres.

Cependant, des incompatibilités existent avec certaines techniques (fragilité, sensibilité thermique, forme trop complexe ou inaccessible) ou avec le matériau d'apport (problème de mouillabilité, adhérence, dilatation différentielle).

En plus d’être nettoyées, les surfaces à traiter subissent généralement une étape de sablage qui permet de créer une rugosité pour favoriser l’adhésion des particules déposées.

Les substrats peuvent aussi être préalablement chauffés avant la projection pour mieux contrôler les mécanismes de croissance et favoriser l’étalement des particules fondues.

Pendant l’étape de projection il est également possible de refroidir la pièce à l’aide de différents dispositifs comme par exemple en utilisant un flux d’air comprimé.

Une étude de santé au travail de 2018 a caractérisé les émissions et évalué les niveaux d’expositions au chrome (Cr) et au nickel (Ni) à différents postes de projection thermique pour aider à élaborer de meilleures stratégies de surveillance des opérateurs. Elle s'est basée sur des prélèvements d'air individuels et d’ambiance in situ, mais aussi sur des analyses d'urine[1].

Elle confirme que les métalliseurs projetant de l’oxyde de chrome par plasma sont effectivement exposés à du Cr hexavalent (Cr VI), et note que dans certains cas les taux de chrome dans l'air dépassaient la VLEP-8 h de 1 μg/m³. La chromurie (taux de chrome dans les urines) était plutôt faible, (moins à 2 μg/g créatinine, c'est-à-dire bien en dessous de la valeur-limite américaine retenue pour les soudeurs (25 μg/g créatinine) mais proche de la valeur de 1,8 μg/g créatinine retenue par l’ANSES pour les employés affectés au chromage[1]. Le Ni urinaire chez les métalliseurs, tous procédés confondus était « relativement élevés par rapport à ceux des opérateurs non-exposés », les dernières valeurs étaient cependant presque comparables à celles de la population générale (11 μg/g créatinine et 3,8 μg/g créatinine respectivement)[1] ce qui laisse penser que les équipements de protection individuelle adaptés à l’activité et bien utilisés permettent de limiter les risques d'intoxication par des éléments traces métalliques[1]. Parmi les cas étudiés le procédé flamme-fil était le plus à risque. D'autres études doivent compléter ce travail[1].

Exemples de simulation numérique d'un jet de plasma thermique sortant d'une torche[12].

Un procédé de projection thermique peut être modélisé[13], à des fins de compréhension fine des phénomènes (la modélisation peut accéder à des grandeurs qu'il est impossible de mesurer, comme le gradient de température au sein des particules lors de leur séjour dans le plasma), de mise au point et d'optimisation du procédé. Ce type de modélisation a recours à la mécanique des fluides numérique.

Les domaines applicatifs sont très larges, du simple zingage pour les infrastructures métalliques (ponts), aux applications de plus haute technologie comme dans les moteurs à réaction d'avion avec la popularisation des abradables (matériaux très friables permettant à chaud de réduire les fuites par l'adaptation des dimensions lors de la mise en service). Ainsi on pourra noter son utilisation en électrotechnique, dans le médical (prothèses), les turbines à gaz, l'automobile (molybdénage des bagues de synchronisation entre autres), le nucléaire, etc.