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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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The cold-gas dynamic-spray process, namely cold spray, is expanding rapidly in many industrial sectors, due to its high capability for powder deposition at a high velocity, which result in coatings. This article shows the principle of the process and its position in the thermal spray family of deposition techniques. Materials properties, both for the powder (before, during and after spraying) and the coating are discussed in the light of the targeted industrial applications.
Auteur(s)
-
Michel JEANDIN : Directeur de Recherche - MINES ParisTech, Centre des Matériaux Pierre-Marie Fourt, Evry, France
-
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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MOTS-CLÉS
KEYWORDS
gas | coating | cold spray | powder
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12. Conclusion et perspectives
Loin d’avoir jeté un coup de froid sur la projection thermique, le cold spray lui a, au contraire, insufflé un nouvel élan vital avec les années 2000, qui en ont vu le développement. Initialement écarté de la famille des procédés de projection thermique, il peut en être considéré maintenant comme le chef de file. Compte tenu des coûts d’investissement relativement bas et du fort potentiel de leur technologie, les installations cold spray semblent se multiplier inexorablement dans les ateliers à façon, les PME et les grandes entreprises, sans compter les dites universitaires, pour devenir aussi banales que des fours ou des lasers.
L’essence du cold spray reposant sur la déformation des particules projetées, le procédé, historiquement, a vu son développement à partir du métal, c’est-à-dire majoritairement appliqué aux matériaux métalliques (d’où le traitement du sujet dans cet article), tant pour le dépôt que pour le substrat (bande de base rouge en figure 36). Les tenants du procédé ont songé et songent encore à partir du métal, mais dans l’autre acception du mot partir, c’est-à-dire s’en éloigner pour se tourner, grâce aux performances de nouveaux matériels, vers d’autres classes de matériaux (polymères et céramiques). Ces derniers peuvent intervenir en mélange avec du métal, mais aussi seuls, pour le dépôt comme pour le substrat. L’évolution du cold spray peut donc, de manière appropriée, être tracée par les matériaux auxquels le procédé s’est appliqué (s’applique). Il en résulte une représentation chronologique en escalier, la diversification de matériaux étant cumulative. Chaque cas marque une étape/marche dans l’évolution du cold spray, très ascendante dans les dernières années.
Plus fondamentalement, l’avènement du cold spray a correspondu à la concrétisation du rêve de métallurgistes avec l’élaboration de structures, souvent originales et à hautes propriétés, obtenues dans des conditions dynamiques, sans avoir à recourir à des procédés hors normes, par exemple ceux utilisant des explosifs. De plus, l’ouverture du procédé vers l’industrie, pour les mêmes raisons de facilité d’exécution, justifie largement son essor continu amorcé avec...
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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).
-
(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).
-
(3) - ANDERSION (J.D.) - Modern Compressible Flow, McGraw-Hill. - 776 p., McGraw-Hill (1882).
-
(4) - RIEUTORD (M.) - Une introduction à la dynamique des fluides. - 504 p., De Boeck (2014).
-
(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).
-
(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
-
2 Brevets
-
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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