Projection par plasma d’arc de particules submicroniques en suspension PDF Download
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Book Description
Aujourd’hui, les « nanomatériaux » ouvrent des perspectives importantes dans diverses applications : énergie, aéronautique, automobile, etc... Un procédé relativement récent, la projection plasma de suspension, permet la formation de dépôt céramique finement voire nanostructuré avec de faibles épaisseurs (entre 5 μm et 10 μm). Néanmoins, la microstructure des dépôts obtenus passe par la compréhension dun grand nombre de paramètres, et notamment l’injection de la suspension. Ces travaux ont particulièrement montré l’intérêt de l’injection et de la fragmentation de la suspension pour son traitement dans le plasma. L’injection de la suspension a été observée à l’aide d’un système optique qui permet de déclencher l’acquisition de l’image sur une valeur de tension d’arc de la torche. Ce système permet d’observer la trajectoire et la fragmentation de la suspension correspondante à un état instantané du jet de plasma. Cette étude a montré l’importance des fluctuations du jet de plasma sur la fragmentation et la trajectoire de la suspension. Il a été observé une grande différence de traitement de la suspension selon que l’on utilise un plasma Ar/H2 ou Ar/He. Le traitement des gouttes avec un plasma argon-hydrogène se fait de manière hétérogène, cette différence de traitement est due aux fluctuations de tension de la torche, et la porosité des dépôts formés en est directement liée. La diminution de ces instabilités avec un plasma Ar/He, par exemple, permet d’homogénéiser le traitement des gouttes de suspension. La diminution de la dispersion des trajectoires dans le plasma limite les particules infondues dans le dépôt, et par conséquent sa porosité. Ces travaux ont permis d’élaborer des dépôts de zircone avec une épaisseur de l’ordre de 10 μm et une faible porosité (~ 4%). Plusieurs dépôts denses (porosité de 4%) ont été formés que ce soit avec un plasma argon-hydrogène ou argon-hélium, à condition d’adapter l’injection de suspension avec les conditions plasmagènes de tir.
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Aujourd’hui, les « nanomatériaux » ouvrent des perspectives importantes dans diverses applications : énergie, aéronautique, automobile, etc... Un procédé relativement récent, la projection plasma de suspension, permet la formation de dépôt céramique finement voire nanostructuré avec de faibles épaisseurs (entre 5 μm et 10 μm). Néanmoins, la microstructure des dépôts obtenus passe par la compréhension dun grand nombre de paramètres, et notamment l’injection de la suspension. Ces travaux ont particulièrement montré l’intérêt de l’injection et de la fragmentation de la suspension pour son traitement dans le plasma. L’injection de la suspension a été observée à l’aide d’un système optique qui permet de déclencher l’acquisition de l’image sur une valeur de tension d’arc de la torche. Ce système permet d’observer la trajectoire et la fragmentation de la suspension correspondante à un état instantané du jet de plasma. Cette étude a montré l’importance des fluctuations du jet de plasma sur la fragmentation et la trajectoire de la suspension. Il a été observé une grande différence de traitement de la suspension selon que l’on utilise un plasma Ar/H2 ou Ar/He. Le traitement des gouttes avec un plasma argon-hydrogène se fait de manière hétérogène, cette différence de traitement est due aux fluctuations de tension de la torche, et la porosité des dépôts formés en est directement liée. La diminution de ces instabilités avec un plasma Ar/He, par exemple, permet d’homogénéiser le traitement des gouttes de suspension. La diminution de la dispersion des trajectoires dans le plasma limite les particules infondues dans le dépôt, et par conséquent sa porosité. Ces travaux ont permis d’élaborer des dépôts de zircone avec une épaisseur de l’ordre de 10 μm et une faible porosité (~ 4%). Plusieurs dépôts denses (porosité de 4%) ont été formés que ce soit avec un plasma argon-hydrogène ou argon-hélium, à condition d’adapter l’injection de suspension avec les conditions plasmagènes de tir.
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La projection plasma de suspension (SPS) de particules submicroniques est une technologie émergente, versatile, qui permet de réaliser des dépôts finement structurés, plus minces que ceux résultant de la projection plasma conventionnelle, et présentant des architectures multiples. Cependant, les différents paramètres contrôlant les propriétés finales du dépôt et, leur interdépendance, ne sont pas encore complètement identifiés. Ainsi, le but de cette étude est, d’une part, de comprendre l’influence des paramètres opératoires sur les mécanismes de construction de dépôts, notamment l’effet des paramètres cinématiques, et, d’autre part, de réaliser des dépôts à gradient de propriétés. Tout d’abord, un banc de projection plasma de suspension a été mis au point, associé à un système de contrôle en ligne. Un modèle théorique simplifié a été utilisé afin de décrire le fonctionnement de la torche plasma et, nous avons entrepris une étude analytique globale sur l’ensemble du procédé, au travers de l’étude des cordons, couplée avec des expériences ciblées. Les différents résultats ont permis d’améliorer notre connaissance du procédé SPS et de déterminer l’influence de certains paramètres clefs. De plus, cette étude a démontré qu’à côté de la criticité des paramètres plasma et d’injection, les paramètres cinématiques étaient aussi déterminants. Enfin, des dépôts aux architectures variées et à gradient de propriétés ont été réalisés et ce, de manière reproductible.
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L'objectif de cette recherche était de déterminer des conditions de projection pour l'injection de suspension de poudres submicroniques dans un plasma d'arc soufflé, afin de réaliser des dépôts de zircone yttriée, les plus denses possibles, ayant une épaisseur de l'ordre de la dizaine de microns, et finement structurés. L'application visée est la réalisation d'électrolytes pour les piles à combustible à oxyde solide. La poudre de zircone yttriée (8% mol Y2O3) doit être désagglomérée et un dispersant est nécessaire pour réaliser une suspension qui soit adaptée au procédé, c.a.d possédant une charge massique assez élevée, une viscosité faible et une stabilité importante dans le temps. Une bonne compréhension du fonctionnement des torches à plasma est nécessaire afin de déterminer les paramètres les plus pertinents dans l'obtention d'un jet de plasma avec des caractéristiques de vitesse et d'enthalpie voulues lorsque la suspension est injectée mécaniquement. Les mélanges plasmagènes utilisés dans cette étude étaient un mélange binaire Ar/H2 et un mélange ternaire Ar/H2/He Des modèles simples ont été utilisés afin de déterminer des ordres de grandeur et des temps caractéristiques des phénomènes. Ainsi les gouttes de suspension pénétrant le plasma sont d'abord fragmentées en gouttelettes (~ 1 æs) qui vont ensuite se vaporiser (~ 1 æs). Les agglomérats sont alors chauffés et accélérés. Des calculs de temps caractéristiques de transfert dynamique et thermique ont permis d'expliquer les résultats de la collecte de particules en vol à différentes distances de la sortie de tuyère. Différents paramètres expérimentaux ont été étudiés et des conditions opératoires adaptées à l'obtention des dépôts recherchés ont pu être déterminées
Author: Ramuntxo Etchart-Salas
Author: Ramuntxo Etchart-Salas
Author: Olivier Tingaud
Author: Jérôme Fazilleau