Métallisation au plasma d'arc soufflé ou transféré

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Principe du plasma d'arc

DéfinitionColonne de plasma d'arc
Bien que les termes de "flamme plasma" ou "jet de plasma" soient souvent utilisés, ils s'agit en réalité d'un "plasma d'arc". Le plasma d'arc est une atmosphère fortement dissociée et ionisée, conductrice d'un courant d'électricité. Si les manuels scientifiques en donnent des définitions très compliquées, il faut savoir que dans tout arc électrique on trouve une gaine de plasma dont l'application n'est pas nouvelle. Elle à largement été exploitée en soudage haute température, comme la flamme des torches à hydrogène atomique qui en est très riche. Mais l'énergie du plasma n'a de valeur que si elle est canalisée. Et c'est l'allemand H. Gerdein qui en développa le concept les années 20.

Torche à plasma d'arcPrincipe
La source de chaleur utilisée est un plasma thermique crée par l'ionisation partielle d'un gaz plasmagène. Le gaz, qui ne se trouve plus sous sa forme gazeuse, mais à l'état plasma, produit alors de hautes températures. La particularité de ce système de projection, est la très forte constriction imposée à l'arc, qui permet d'atteindre dans le plasma des températures très élevées, de l'ordre de 10000 à 15000 K. Tous les matériaux y compris les plus réfractaires, peuvent ainsi être fondus.
L'expension du flux gazeux permet d'atteindre en sortie de tuyère des vitesses d'éjection très élevées, puisqu'elles peuvent dépasser la vitesse du son. Elles sont comprises entre 800 et 1200 m/s, suivant la densité du plasma et la nature des gaz. Ce qui permet d'obtenir une bonne fusion et un bon étalement des particules à l'impact, qui elles, sont projetées à des vitesses de l'ordre de 200 à 250 m/s sur le substrat.

L'énergie du plasma
L'énergie fournie et la température atteinte, dépendent directement de la puissance électrique fournie à la source , du débit masse et de la nature du gaz plasmagène ainsi que la géométrie de la torche. (diamètre interne, forme de l'anode, mode d'injection du gaz). En ce qui concerne la nature du gaz, l'énergie contenue dans ce dernier se libère différemment avec l'augmentation de la chaleur, suivant que celui-ci est diatomique ou monoatomique. Si on désire beaucoup d'énergie avec une température moyenne, on choisira l'Azote ou l'Hydrogène (gaz diatomiques). Par contre si l'on désire une haute température, on choisira l'Argon ou l'Hélium (gaz monoatomiques).
L'eau est également utilisée comme milieu plasmatique, car dissociée dans l'arc, elle donne un plasma riche en hydrogène, donnant des puissances très supérieures aux plasmas de gaz.

Caractéristiques du système de projection

Plasma par arc souffléFonctionnement
La torche plasma est un appareil dans lequel on force un gaz à passer au travers d'un arc électrique étranglé, créé par une décharge haute fréquence, établi entre une anode et une cathode, refroidies par une circulation d'eau. L'anode cylindrique est évidée au centre pour recevoir la cathode et servir de tuyère d'éjection à la colonne plasma. Le gaz injecté autour de la cathode, traverse l'arc électrique ou il est ionisé et est ensuite propulsé par la tuyère cathodique sous l'état de plasma (cliquez sur les schémas ci-contre pour les agrandir).
La projection plasma comporte deux techniques différentes soit:Plasma par arc tranféré
- la projection par arc soufflé (utilisée surtout en métallisation courante).
C'est un plasma à arc interne dans lequel le jet de plasma ne conduit pas le courant électrique à l'extérieur de la tuyère. La projection peut se faire dans l'air ambiant (ASP: Air Plasma Spraying) ou sous vide partiel (VPS: Vacuum Plasma Spraying).
- la projection par arc transféré (utilisée surtout en rechargement).
C'est un plasma à arc externe dans lequel le jet de plasma est entièrement parcouru par le courant électrique. Le circuit se referme sur la pièce à traiter, qui sert d'anode extérieure alors que la tuyère est portée à un potentiel intermédiaire.

Principe de projection plasma Mode d'alimentation
Les systèmes à plasma d'arc utilisent généralement des produits d'apport en poudres. Le produit est véhiculé par un gaz porteur auxiliaire, généralement de l'Argon en raison de sa masse molaire. Il est ensuite injecté dans le jet de plasma par une buse spéciale (cliquez sur le schéma ci-contre pour l'agrandir).
Le matériau est alors fondu et éjecté par la colonne de plasma à grande vitesse (due à la vitesse des gaz). La distance de projection comprise entre 10 et 80 mm doit être constante, ce qui implique souvent une automatisation du système (déplacement linéaire sur pièce tournante). Les dispositifs d'alimentation en poudre sont du même type que ceux décrits dans le chapitre précédent. L'installation comporte en outre des armoires permettant de contrôler avec précision l'amorçage de l'arc, son maintien et les différents débits de gaz, eau et poudre, nécessaires au bon fonctionnement de la torche.

Utilisation, avantages et applications

Utilisation
Compte tenu des températures atteintes dans les jets de plasma, il n'y a pas de limitation quant au point de fusion des matériaux. Cette technique permet de projeter une grande gamme de matériaux: métaux et alliages, cermets, céramiques et dans certaines conditions, des polymères. Cependant, une différence de 300 K entre la température de fusion et la température de décomposition ou d'évaporation du matériau est nécessaire pour éviter qu'il ne se sublime. L'utilisation du plasma sous vide partiel ou en atmosphère contrôlée, permet de maîtriser certains de ces problèmes.

Avantages et applications

Le principal avantage de la projection par plasma, est donc la possibilité de pouvoir projeter des matériaux très réfractaires et d'obtenir des dépôts très durs comme avec la céramique, destinés à la protection contre l'usure ou la corrosion et à la protection thermique.
Les secteurs d'applications sont variés. On retrouve la projection plasma dans les domaines de l'aéronautique (civil ou militaire), de l'aérospatiale, de l'énergie (pile à combustible, pétrochimie), des mines, de l'impression et de la pâte à papier, de l'industrie du verre, de l'automobile, dans le secteur médical et dans la protection des chocs thermiques comme les barrières diélectriques.


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