Fabrication of ceramic deposits by cold gas spraying : connection between the powder caracteristics and the physical properties of the coatings
Élaboration de revêtements céramiques par projection cold spray : relation entre les caractéristiques des poudres et les propriétés physiques des dépôts
Résumé
Cold spray is based on the acceleration at a supersonic velocity (up to 1200 m.s-1) of unmelted pow- der particles through a de Laval nozzle by a high-pressure gas (e.g. N2). As the powder is not molten in the gas, the deposit is mostly generated by the powder plastic deformation and/or brittle fragmentation and its mechanical anchorage when impacting the substrate at high kinetic energy. Up to date, cold spray has been mostly dedicated to ductile materials (i.e. metals). However, cold spray of brittle materials (i.e. ceramics) has recently gained attention, particularly with agglomerated powders. In the specific case of ceramics, the challenge consists mostly in controlling the powder fragmentation at the impact to optimize the coating quality (i.e. low porosity and good mechanical adhesion) and its construction rate. In this thesis several routes have been investigated, mostly with hydroxyapatite. In the first one, the influence of the powder properties have been studied, and specifically the shape and size of the nanoparticles inside the agglomerates. Since the adherence is mostly mechanical, acicular and fine particles are of interest because their entanglement is way better, and makes the construction of the coating easier. In the second route, coatings obtained have been optimized through the equipment used, the choice of the spraying parameters, as well as the substrate. Interesting results have been carried out especially working on the spraying cinematic and using PEEK sublayer sprayed with flame spraying. Finally, in the last route, experiments have been done under vacuum, in conditions close to the one in aerosol deposition. By reducing the bow shock, the deposition efficiency is substantially improved, leading to thick coatings.
Le cold spray est un procédé qui est basé sur l’accélération à vitesse supersonique (jusqu’à 1200 m/s) de particules non fondues à travers une buse de type De Laval par un gaz sous pression (ex : N2). Puisque les particules restent à l’état solide, le revêtement est en général conçu grâce à la déformation plastique et/ou à la fragmentation contrôlée, puis à un ancrage mécanique des poudres lors de l’impact sur le substrat à très haute énergie cinétique. Le cold spray est utilisé essentiellement avec des matériaux ductiles, mais récemment un intérêt croissant a été porté au cold spray de céramiques, en particulier avec des poudres agglomérées. Dans ce cas, le principal défi est alors de contrôler la fragmentation des granules lors de l’impact en jouant sur différents leviers, afin d’améliorer la qualité des dépôts obtenus et le rendement de déposition. Lors de ces travaux, plusieurs pistes ont été étudiées, notamment avec l’hydroxyapatite. La première concerne l’influence des propriétés des poudres, et en particulier la forme et la taille des nanoparticules à l’intérieur des agglomérats. Puisque l’adhérence est essentiellement mécanique, des particules fines et allongées vont présenter une meilleure intrication, et il sera alors plus facile de construire le dépôt. La seconde piste est davantage axée sur le procédé avec une optimisation poussée de tous les paramètres de tirs, en utilisant plusieurs équipements, mais aussi différents types de substrats. Les résultats les plus intéressants ont été obtenus en basse pression en utilisant des sous couches PEEK projetées par flamme. Enfin, dans la dernière idée étudiée, des expérimentations ont été réalisées sous vide. La réduction de l’onde de choc permet alors d’améliorer significativement les revêtements obtenus en terme d’épaisseur, mais aussi de cohésion et de rendement.
Origine : Version validée par le jury (STAR)