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NOTE DE L'ÉDITEUR
La norme ISO 1143 du 01/11/2010 citée dans cet article a été remplacée par la norme ISO 1143 de juillet 2021 : Matériaux métalliques - Essais de fatigue par flexion rotative de barreaux
Pour en savoir plus, consultez le bulletin de veille normative VN2108 (Août 2021).
RÉSUMÉ
La projection dynamique par gaz froid (cold spray) s’utilise, de plus en plus, dans de nombreux secteurs de l’industrie, grâce à sa capacité à déposer des poudres, le plus souvent métalliques, à haute vitesse (largement supersonique, en général), dans la formation de revêtements. L’article en présente le principe et la position du cold spray dans la famille des procédés de projection thermique. Les propriétés des matériaux en jeu dans ce procédé, tant la poudre (avant, pendant et après projection) que le revêtement final obtenu sont décrits à la lumière des applications industrielles envisagées.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Michel JEANDIN : Directeur de Recherche - MINES ParisTech, Centre des Matériaux Pierre-Marie Fourt, Evry, France
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Maurice DUCOS : Consultant - MD Conseil, Mornas, France
INTRODUCTION
La projection dynamique par gaz froid, dite plus communément et au grand dam (justifié) des puristes de la langue française, « cold spray », s’impose, depuis le début des années 2000, comme le chef de file des nouveaux procédés d’élaboration de revêtements à partir de poudre. Avec lui, le matériau fait peau neuve pour l’amélioration de ses propriétés superficielles. Son principe repose sur le maintien des particules entièrement à l’état solide pendant leur projection ; leur densification, à l’impact sur le substrat, résultant de leur vitesse très élevée (potentiellement largement supersonique). La qualité de la densification dépend de la capacité des particules à se déformer plastiquement pour assurer leur bon empilement et l’établissement de liaisons entre elles. De ce fait, le procédé cold spray, se trouve, pour ce qui est du matériau de dépôt, majoritairement destiné aux métaux et, dans une moindre mesure, aux polymères. Les céramiques s’en trouvent écartées, sauf à considérer (mais les cas sont rares) des conditions de procédé et un choix des poudres très spécifiques. Ceux-ci, encore peu connus, intègrent le fait que ce sont des mécanismes foncièrement différents de la déformation plastique qui conduisent à la formation d’un dépôt. Quand des céramiques sont en jeu en cold spray, elles le sont le plus souvent en mélange avec un liant (métallique ou polymère) pour aboutir à un dépôt composite par nature.
Les revêtements obtenus se distinguent par leur « propreté » (absence d’oxydation en particulier) et leur grande densité, qui plus est sans altération des principales caractéristiques métallurgiques de la poudre initiale. De plus, en comparaison avec d’autres procédés comme la projection plasma, le coût d’investissement est souvent réduit, pour un rendement matière élevé (couramment au-delà de 80 %). L’engouement pour le cold spray s’en trouve ainsi aisément justifié. Il l’est d’autant plus que ses derniers développements le placent aussi dans le concert actuel des procédés de fabrication additive pour la réalisation de pièces. Il peut s’aventurer ainsi bien au-delà du champ de réalisation de revêtements. Les secteurs industriels intéressés par le cold spray sont multiples et recoupent ceux de la projection thermique classique : l’aéronautique, l’automobile, l’énergie, le luxe… via ses grands groupes autant que par son tissu de PME. Transversalement, parmi les applications les plus porteuses du cold spray figurent celles liées à la réparation.
Cet article a pour ambition de donner une vue d’ensemble du cold spray en abordant les questions touchant tant aux différentes technologies de procédé qu’aux matériaux conduisant au dépôt. Les principaux mécanismes de base de dépôt sont abordés, mais toujours à la lumière des propriétés et applications visées.
Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire et un tableau des sigles et des notations utilisés.
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2. Technologies de cold spray
2.1 Procédés à haute pression et à basse pression
Le terme cold spray est générique. On mentionnera ici les dénominations d’usage, notamment dans le milieu industriel, pour les procédés faisant appel au principe décrit en début d’article. Sur cette base, il existe deux grandes types de cold spray qui furent développés en parallèle : celui dit à haute pression et celui dit à basse pression, selon que la pression de gaz se situe au-dessus ou au-dessous du mégapascal. On comprend bien la part de subjectivité intervenant dans cette distinction compte tenu de l’évolution des matériels de projection : un « basse pression » d’aujourd’hui pouvant avoir été hier considéré comme un « haute pression ». La confusion peut s’en trouver entretenue car d’aucuns aujourd’hui, pour cette raison, introduisent la gamme de pression dite intermédiaire. C’est pourquoi, il serait plus exact de distinguer les procédés par le mode d’injection de la poudre dans la buse, plutôt que par la pression de gaz (figure 3) : en aval du convergent de la tuyère pour le procédé à basse pression et en amont pour celui à haute pression. Pour ce dernier, l’injection de poudre peut être centrale (comme sur la figure 3 b ) ou radiale.
Aujourd’hui, en 2020, le cold spray dit « basse (et moyenne) pression » couvre une gamme de pression s’étendant de 0,4 à 3,4 MPa pour une température de gaz préchauffé jusqu’à 550 °C maximum. Le cold spray haute pression s’entend non seulement à 110 dB en sortie de buse, mais aussi pour une pression jusqu’à 7 MPa et une température de 1 100 °C. Les principaux atouts des systèmes à basse pression sont d’être plus légers, moins onéreux et plus souple d’utilisation, jusqu’à permettre aisément des opérations manuelles, pour travaux sur site en particulier. Les installations à haute pression sont beaucoup plus imposantes, même si certains équipements (limités à 2 MPa et 400 °C) sont destinés à être manipulés manuellement. Le choix du type d’installation dépend évidemment du travail de dépôt à effectuer, en tenant compte, en premier lieu, de la...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - SCHMIDT (T.), ASSADI (H.), GARTNER (F.) et al - From particle acceleration to impact bonding in cold spraying. - J. Thermal Spray Technol., vol. 18, p. 794-808 (2009).
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(2) - YIN (S.), MEYER (M.), LIAO (H.) et al - Gas flow, particle acceleration and heat transfer in cold spray : A review. - J. Thermal Spray Technol., vol. 25, p. 874-896 (2016).
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(3) - ANDERSION (J.D.) - Modern Compressible Flow, McGraw-Hill. - 776 p., McGraw-Hill (1882).
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(4) - RIEUTORD (M.) - Une introduction à la dynamique des fluides. - 504 p., De Boeck (2014).
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(5) - LEITZ (K.-H.), O’SULLIVAN (M.), PLANKENSTEINER (A.) et al - OpenFOAM Modeling of Particle Heating and Acceleration in Cold Spraying. - J. Thermal Spray Technol., vol. 27, p. 135-144 (2018).
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(6)...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
-
Matériaux métalliques – Essais de fatigue par flexion rotative de barreaux. - BS ISO 1143 :2010 - Décembre 2010
-
Essai d’adhérence par traction de revêtements projetés thermiquement. - ASTM C633-13 - 2017
-
Projection thermique – Mesure de l'adhérence par essais de traction. - NF EN ISO 14916 - Mai 2017
-
Analyse granulométrique – Méthodes par diffraction laser. - ISO 13320 - Janvier 2020
-
Management environnemental – Analyse du cycle de vie – Principes et cadre. - NF EN ISO 14040 - Octobre 2010
-
Management environnemental – Analyse du cycle de vie – Exigences et lignes directrices. - NF EN ISO 14044 - Octobre 2006
-
Qualité de l'air – Aspects généraux – Vocabulaire. - NF ISO 4225 - Août 2020
-
...
ANNEXES
-
1 Réglementation
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2 Brevets
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3 Annuaire
- 3.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
- 3.2 Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)
- 3.3 Documentation – Formation – Séminaires (liste non exhaustive)
- 3.4 Laboratoires – Bureaux d'études – Écoles – Centres de recherche (liste non exhaustive et par ordre alphabétique)
Directive ATEX 201/34/UE concernant les appareils et les systèmes de protection destinés à être utilisés en atmosphère explosible.
HAUT DE PAGE
DANTIN (B.) et al. – Airbus Group SAS, Structure comportant des lignes électriquement conductrices en surface et procédé pour la réalisation de lignes électriquement conductrices par cold spray, Brevet WO 2016/107918 A1, 2016.
CHOHRA (M.) et al. – Dassault-Aviation, Pièce composite présentant une couche fonctionnelle et un liant polymère, et procédé de fabrication par cold spray associé. Brevet français # 3 006 914, 2013.
URIOS (T.) et al. – Arcelor Mittal, Tôle revêtue de AlMg déposé par cold spray. Demande de brevet PCT/IB2017/000816, 2017.
DOUCHY (G.) et al. – LERMPS/UTBM, Dispositif de projection de particules solides à froid. Brevet européen EP 1 902 785 A1, 2008.
SMUROV (I.) et al....
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