Projection thermique expliquée : Types et applications industrielles

Qu'est-ce que le revêtement par projection thermique ?

Aujourd'hui, les revêtements par projection thermique sont utilisés dans de nombreux secteurs. Ces revêtements consistent en fil et poudre fondus exposés à un plasma ou une combustion oxy-combustible. La flamme du pistolet propulse le mélange chauffé, et une fois pulvérisé sur le métal, le mélange forme un revêtement ferme.

Les revêtements par projection thermique s'appliquent à un large spectre d'applications utiles, notamment la protection d'avions, bâtiments et autres structures contre les températures extrêmes, produits chimiques, ou conditions environnementales comme l'humidité et la pluie. Dans cet article, nous discutons de la projection thermique, comment la réaliser, ses applications et avantages.

Qu'est-ce que la projection thermique ?

Les techniques de projection thermique sont des procédés de revêtement où des matériaux fondus (ou chauffés) sont pulvérisés sur une surface. La « matière première » (précurseur du revêtement) est chauffée par des moyens électriques (plasma ou arc) ou chimiques (flamme de combustion).

La projection thermique peut fournir des revêtements épais (environ 20 microns à plusieurs mm, selon le procédé et la matière première), sur une grande surface à un taux de dépôt élevé comparé à d'autres procédés comme le galvanoplastie, dépôt physique ou chimique en phase vapeur.

Les matériaux de revêtement disponibles incluent métaux, alliages, céramiques, plastiques et composites. Ils sont fournis en poudre ou fil, chauffés à l'état fondu ou semi-fondu, et accélérés vers les substrats sous forme de particules micrométriques.

La combustion ou la décharge d'arc électrique est généralement utilisée comme source d'énergie. Les revêtements résultants sont formés par l'accumulation de nombreuses particules pulvérisées. La surface ne chauffe pas significativement, permettant le revêtement de substances inflammables.

La qualité du revêtement est généralement évaluée par sa porosité, teneur en oxydes, dureté macro et micro, résistance d'adhérence, et rugosité de surface. Généralement, la qualité augmente avec la vitesse des particules.

En plus des applications d'équipement d'origine, les revêtements par projection thermique servent à réparer des pièces usées ou endommagées en service, et restaurer les dimensions de pièces usinées. Ils restaurent les dimensions de composants usés ou corrodés, comme cylindres d'impression et paliers sous-dimensionnés.

Comment faire de la projection thermique ?

La projection thermique est une catégorie générique de procédés de revêtement qui déposent un consommable sous forme de spray de gouttelettes finement divisées fondues ou semi-fondues pour produire un revêtement.

Elle se distingue par sa capacité à déposer des revêtements de métaux, cermets, céramiques et polymères en couches d'épaisseur substantielle, typiquement 0,1 à 10 mm, pour applications d'ingénierie. Presque tout matériau peut être déposé s'il fond ou devient plastique pendant l'opération. À la surface du substrat, les particules forment des « éclats » ou « plaquettes » qui s'imbriquent et s'accumulent pour donner le revêtement.

Le dépôt ne fusionne pas avec le substrat et n'a pas à former une solution solide pour obtenir une liaison. C'est une caractéristique significative comparé à d'autres procédés, notamment le soudage à l'arc, le brasage, et les procédés laser.

La liaison entre un revêtement projeté thermiquement et le substrat est principalement mécanique, pas métallurgique ou par fusion. L'adhérence dépend de l'état de surface du substrat, qui doit être propre et rugueux par grenaillage ou usinage avant projection.

Les procédés de projection thermique sont largement utilisés depuis des années dans tous les grands secteurs industriels pour la protection et la remise en état de composants. Les développements récents d'équipements et procédés ont amélioré la qualité et élargi la gamme d'applications.

Types de procédés de projection thermique

Plusieurs variantes de projection thermique sont distinguées :

• Projection plasma
• Projection par détonation
• Projection à l'arc sur fil
• Projection par flamme
• Projection oxy-combustible à haute vélocité (HVOF)
• Projection air-combustible à haute vélocité (HVAF)
• Projection tiède (Warm spraying)
• Projection à froid (Cold spraying)
• Projection et fusion (Spray and Fuse)

Dans les procédés classiques (développés entre 1910 et 1920) mais encore très utilisés comme la projection par flamme et l'arc sur fil, les vélocités des particules sont généralement faibles (< 150 m/s), et les matières premières doivent être fondues pour être déposées.

La projection plasma, développée dans les années 1970, utilise un jet plasma haute température généré par décharge d'arc avec températures typiques >15 000 K, permettant de projeter des matériaux réfractaires comme les oxydes, molybdène, etc.

Voici les 5 procédés les plus courants pour générer des revêtements par projection thermique :

1. HVOF (Projection oxy-combustible à haute vélocité)

L'HVOF utilise une torche permettant à la flamme de s'étendre à la sortie de la buse. Cela crée une accélération rapide qui accélère les particules du mélange. Le résultat est un revêtement exceptionnellement mince appliqué uniformément. Malgré sa finesse, ce revêtement est résistant et adhère bien. Sa résistance à la corrosion est meilleure que les revêtements plasma, mais il n'est pas bien adapté aux hautes températures.

2. Projection par flamme de combustion

La projection par flamme de combustion est excellente pour les surfaces non conçues pour gérer des contraintes extrêmes. Le revêtement n'est pas fortement attaché car le mécanisme de pulvérisation est alimenté par une vélocité de flamme plus faible.

La flamme est générée via oxygène combiné au combustible, fondant le mélange. Ce procédé est populaire pour applications de faible intensité grâce à son faible coût.

3. Projection plasma

La projection plasma utilise la torche plasma comme outil principal pour chauffer et pulvériser le revêtement. Après fusion de la poudre, elle est déposée sur le produit de manière similaire à la projection par flamme.

Les revêtements peuvent avoir une épaisseur de quelques micromètres à quelques millimètres. La poudre est le matériau le plus utilisé, mais métaux et céramiques le sont aussi. Ce procédé est très populaire pour son adaptabilité.

4. Projection plasma sous vide

La projection plasma sous vide se fait en environnement contrôlé à basses températures. Cela maintient le vide tout en réduisant les dommages au matériau. Diverses combinaisons de gaz peuvent être utilisées pour obtenir la pression nécessaire.

Utilisée pour pare-chocs automobiles, tableaux de bord, boîtiers de rétroviseurs. Peut aussi servir au pré-traitement de moulages en polyéthylène, assurant l'adhérence d'adhésifs époxy aqueux.

5. Projection à l'arc électrique double fil

Cette méthode utilise un point d'arc créé entre deux fils électriquement conducteurs. La fusion se produit au point de connexion. L'arc permet le chauffage qui crée dépôt et fusion, similaire à la projection par flamme avec torche.

L'air comprimé pulvérise les revêtements. Ce procédé est populaire pour son rapport coût-efficacité, utilisant généralement l'aluminium ou le zinc comme matériau de base.

Avantages des revêtements par projection thermique

Certains avantages incluent :

• Coût réduit. Réparer le composant coûte moins cher que d'en acheter un neuf. Souvent, le revêtement dure plus longtemps que le matériau d'origine.
• Faible apport thermique. Avec peu d'exceptions, le procédé laisse l'historique thermique du composant intact.
• Polyvalence. Presque tout métal, céramique ou plastique peut être projeté thermiquement.
• Gamme d'épaisseur. Selon le matériau et le système, les revêtements peuvent aller de 0,001 à plus de 25 mm. Typiquement 0,125–2,5 mm.
• Vitesse de traitement. Les taux de pulvérisation vont de 1,5 à 27 kg/h selon le matériau et le système. Taux typiques : 0,25–1 kg de matériau par m² par 0,25 mm d'épaisseur.

Inconvénients des revêtements par projection thermique

• Masque le substrat – les revêtements sont si efficaces qu'il est souvent impossible de savoir de quoi était fait le substrat après revêtement, à moins de tenir des registres stricts.
• Impossible d'évaluer précisément l'efficacité – une fois appliqué, il est souvent difficile de savoir exactement comment le revêtement a pris, sinon par évaluation visuelle.
• Installation coûteuse – certaines méthodes nécessitent des appareils très chers, entraînant un coût initial élevé.