Coldspray pour revêtements polymères hautes Performances – CARAPACE

Dans ce projet de recherche, nous partons de deux fait expérimentaux démontrés très récemment : 1- Des revêtements millimétriques de polyéthylène à ultra haut poids moléculaire (UHMWPE), obtenus sous forme de plaques par compression/frittage, protègent de manière exceptionnelle les aubages d’hélices maritimes contre l’érosion de cavitation 2- Des résultats préliminaires réaliser à l’université de Tohoku ont montré que moyennant l’ajout de nano-charges d’alumine, le procédé cold-spray peut permettre de déposer des UHMWPE sur des substrats métalliques. Le Cold spray est un procédé qui permet de projeter des grains de poudre à des vitesses supersoniques et à des températures typiquement inférieures à 400°C sur un substrat pour former des revêtements. Ce procédé pourrait ainsi permettre de déposer ce type de polymère haute performance sur des substrats non-plans tels que les aubages de pompes ou hélices. Un marché important (hélices de bateaux, gouvernails, pompes) pourrait alors être intéressé par le gain considérable de durée de vie (estimer à plus d’un facteur 5) de ce type de revêtements. Le principal challenge réside dans le fait que les propriétés des revêtements ne sont pas encore équivalentes à celle des plaques obtenues par compression frittage. A l’INSA de LYON un Cold Spray aux performances améliorées est en cours d’installation. Notre approche est donc double. En jouant sur les paramètres cold-spray, nous espérons améliorer la qualité de revêtements en réduisant la porosité, ce qui améliore la densité de contact entre grains de poudre et en améliorant le frittage entre grains lui-même. Sur ce dernier point, la clé est le cycle thermomécanique vu par les grains de poudres. Nous aurons la possibilité avec le nouveau dispositif de faire varier la vitesse d’impact, mais aussi la température des grains de poudre à l’impact. En se rapprochant bien plus fortement de son domaine d’écoulement, nous espérons optimiser fortement le frittage et donc les propriétés. D’un autre côté, une recherche plus matériaux est nécessaire pour optimiser les poudres projetées. Nous avons déjà montré que l’ajout de nano-charges pouvait s’avérer important mais nous pourrons aussi ajouter d’autres modifiant (notamment PE acide maléique) avec ici pour objectif d’améliorer l’adhésion avec un substrat métallique. Les échantillons obtenus feront l’objet d’une analyse poussée en comparaison avec les éprouvettes compressées/frittées, d’abord du point de vue microstructurale (SAXS, WAXS, DSC, MEB, Microtomographie) avec pour but principal de comprendre et donc d’optimiser à la fois le procédé, mais aussi le matériau. Nous cherchons notamment à modéliser la résistance mécanique de ces revêtements face à l’érosion de cavitation (en relation avec le SIMAP). De plus, une caractérisation des revêtements sur le tunnel de cavitation disponible au LEGI, nous permettra d’abord d’évaluer la résistance et donc la durée de vie de ces matériaux mais aussi de mieux comprendre les mécanismes d’endommagement. Enfin, le Polyéthylène possède des propriétés d’atténuation des ondes acoustique extrêmement fortes (typiquement 1000dB/m). Ceci ouvre une seconde application importante dans le domaine militaire où la furtivité acoustique est importante. En effet, ces revêtements pourraient réduire le bruit rayonné en cas de cavitation, mais aussi sur des gammes de fréquences très larges réduire la signature acoustique des aubages en mouvements. Ces caractéristiques acoustiques seront étudiées en détail au laboratoire LVA, mais nous irons également plus loin en les caractérisant par microscopie acoustique encore un fois en vue de leur optimisation. A plus long terme, le procédé cold spray pourrait permettre de projeter d’autre polymères thermoplastiques ouvrant la voie à de nombreux autres marchés compte tenus des performances variées et importantes de ces polymères.