Comportement et hydrodynamique de l’impact de gouttes dans le procédé de projection par plasma d’arc

La nature des gaz plasmagènes

La nature des gaz plasmagènes influe directement sur les traitements thermiques et cinétiques des particules. Le choix de ces gaz dépend de la température et de la difficulté de fusion ainsi que de la densité de la matière à projeter. Les gaz les plus couramment employés sont l’argon, le diazote, le dihydrogène, l’hélium et l’oxygène. L’utilisation d’argon est courante car ce gaz lourd confère au gaz plasmagène une quantité de mouvement plus importante que les autres gaz : il pousse le pied d’arc et accélère les particules. L’apport de dihydrogène dans le mélange permet d’accroître la conductivité thermique du plasma et donc d’améliorer le transfert de chaleur plasma-particules. L’utilisation d’hélium accroît la conductivité thermique, ce qui retarde le refroidissement du plasma par diffusion des inclusions d’air. Le choix du mélange plasmagène est donc l’objet d’un compromis entre transfert cinétique et transfert thermique plasma-particules. Il est déterminant pour une bonne fusion et accélération des particules. Il a également une influence sur le déplacement du pied d’arc à l’anode. L’ajout d’un gaz de masse élevée (Ar ou N2) possédant une quantité de mouvement suffisante pour accroître les forces de traînée qui repoussent l’arc en aval de la tuyère ce qui permet de limiter l’érosion de l’anode et d’augmenter sa durée de fonctionnement.
Les céramiques, matériaux à hauts points de fusion, nécessitent des plasmas plus énergétiques. L’hydrogène est habituellement utilisé comme gaz secondaire en mélange avec l’argon, dans des proportions pouvant atteindre 25 % en volume car sa viscosité (µ10000K = 3,1 kg/m.s) et sa conductivité thermique (k10000K = 3,7 W/m.K), dans la gamme de température des plasmas, permettent de meilleurs transferts thermiques.

Traitement des particules dans le jet plasma

Le traitement des particules est conditionné par les transferts de quantité de mouvement, de chaleur et de masse entre le plasma et les particules. Ces transferts dépendent des champs de température et de vitesse de l’écoulement, de la nature du mélange de gaz ainsi que de l’état des couches limites cinématique et thermique qui se forment autour de la particule.
L’accélération et le chauffage des particules dépendent :
a)- de leur nature, de leur taille granulométrique et de leur forme ;
b)- de leur trajectoire qui est influencée par le type d’injection de poudre, la position de l’injecteur, l’angle d’injection et débit de gaz porteur ;
c)- de l’écoulement plasma qui dépend de la géométrie des électrodes, la nature et le débit des gaz plasmagènes et la puissance électrique.
Les petites particules sont plus facilement accélérées et cette accélération est améliorée quand leur trajectoire est proche du cœur du jet plasma (zone où la vitesse du plasma est très supérieure à celle des particules). Cependant, elles ralentissent plus fortement que les grosses avant impact.
L’engouffrement d’air dans le plasma, ainsi que la phase d’injection sont des mécanismes induisant une large dispersion des trajectoires des particules dans le jet et donc une importante disparité de leur traitement thermique. Dès leur injection, les particules les plus grosses traversent le jet plasma et se retrouvent rapidement sur le bord inférieur. Durant leur court temps de séjour à travers le cœur du plasma, elles sont au mieux juste fondues en surface et la plupart ne sont pas traitées. Ceci s’explique par le fait que plus une particule est grosse, plus sa capacité thermique est élevée et plus elle a besoin de temps pour être traitée.
Dans le cas des particules massives partiellement fondues en surface, elles se refroidissent et commencent à se solidifier rapidement après avoir quitté le cœur du plasma.

Tension de surface

Avant l’impact, le fluide reste sous l’état de goutte unique, sans se disperser dans le fluide ambiant pourvu que sa taille soit compatible. Lorsqu’une goutte est en contact avec un substrat, elle se déforme et perd son aspect sphérique, en s’étalant plus ou moins largement sur le substrat. L’énergie de surface n’est plus répartie de façon homogène. Mais la tension de surface entre en compétition avec la tension interfaciale entre le substrat et la goutte, et la tension interfaciale entre le substrat et l’air ambiant. Cette compétition est à l’origine du phénomène de mouillage, c’est-à-dire la faculté que possède la goutte à recouvrir le substrat: les tensions superficielles goutte -substrat et air-substrat minimisent chacune la surface de contact entre les milieux mis en jeu. La façon dont la goutte s’étale dépend donc de la nature  du substrat. Lorsque le liquide est mouillant, l’étalement de la goutte est important.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 Généralités sur le procédé de projection par plasma d’arc
Introduction
1.1. Revêtements Céramiques
1.2. Mode de mise en forme des céramiques
1.3. L’alumine
1.4. Céramique projetée plasma
1.5. Projection par plasma d’arc soufflé (APS)
1.5.1.Principe de fonctionnement d’une torche à plasma d’arc soufflé
1.5.2. Description de l’arc électrique créé et formation du jet plasma
1.5.3. Entraînement d’air dans un jet de plasma
1.5.4. La nature des gaz plasmagènes
1.5.5. Injection de la poudre
1.5.6.Traitement des particules dans le jet plasma
1.6. Construction du dépôt
1.6.1.Le substrat
1.6.2.Empilement des lamelles
1.6.3. Structure d’un dépôt
1.6.4. Contraintes au sein d’un dépôt
1.6.5. Adhérence du dépôt
1.7. Conclusion
Chapitre 2 Comportement et hydrodynamique de l’impact de gouttes dans le procédé de projection par plasma d’arc
Introduction
2.1. Comportement des particules fondues à l’impact
2.1.1. La Lamelle (splat)
2.1.2. Etalement de la particule
2.1.3. La température de transition
2.1.4. Morphologie des particules écrasées
2.2. Hydrodynamique de l’impact de gouttes
2.2.1. Vitesse de l’écoulement
2.2.2. Tension de surface
2.2.3 Degré d’étalement maximal d’une goutte
2.2.4. Rugosité
2.2.5. Nombres adimensionnels
2.3. Echanges thermiques lors de l’impact
2.4. Résistance thermique de contact
2.4.1. La résistance thermique de contact lors de l’impact d’une goutte
2.5. La solidification
2.6. Les modèles de formation des lamelles
1.7. Conclusion
Chapitre 3 Résolution numérique de l’impact de gouttes sur un substrat solide
Introduction
3.1. Les équations du problème : méthodes numériques
3.1.1. Méthodes numériques
3.1.2. Modèle à un fluide
3.1.3. Modélisation de la tension de surface
3.1.4. Modélisation du substrat
3.2. Méthode numérique de l’équation d’advection
3.3. Equation de l’énergie
3.4 Solidification
3.5. Méthodes numériques de résolution
3.6. Procédure numérique
3.7. Stratégie de calcul
3.8. Conclusion
Chapitre 4 Résultats numériques de l’impact de gouttes sur un substrat solide
Introduction
4.1 Résultats de simulations numériques
4.2 Validation de l’impact de gouttes
4.3. La morphologie d’une particule d’Alumine écrasée sur un substrat
4.3.1. L’écrasement de la particule d’Alumine sur un plan horizontal
4.3.2. L’écrasement de la particule d’Alumine sur un plan incliné
4.4 Impact simultané de gouttes, identiques
4.4.1. L’influence de la distance entre deux gouttes
4.4.2. L’évolution du flux de chaleur à l’interface substrat-goutte
4.4.3. L’effet de la solidification
4.5. Impact marginal de deux gouttes successives d’Alumine
4.6. Impacts consécutifs de deux gouttes identiques
4.7. Simulation de l’impact d’un train de gouttes identiques
4.7.1. La dynamique de formation de couches successives
4.7.2. L’influence de la fréquence d’impact
4.6. Conclusion
Chapitre 5 Conclusion et perspectives
Bibliographie

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