Dynamique de l'interaction d'un plasma d'arc laminaire pulsé et d'une injection synchrone pour l'élaboration de dépôts céramiques finement structurés – PLASMAT

Sur la base de précédents travaux développés dans le laboratoire SPCTS (UMR7315 –CNRS, Université de Limoges) montrant que le déplacement de l’arc peut être contrôlé par des phénomènes de résonance acoustique, un nouveau mode d’oscillation d’un arc électrique confiné dans une torche a été mis en évidence. Le jet de plasma en résultant est alors pulsé de manière auto-entretenue à une fréquence ajustable de l’ordre du millier de Hertz et de véritables balles de plasma thermique sont émises à cette fréquence. Une buse piézo-électrique est utilisée pour injecter au cœur du plasma et manière synchronisée des gouttes de suspensions ou de solutions. Ces dernières contiennent les éléments qui vont réagir en vol avec le plasma avant d’être déposés pour faire un revêtement. La reproductibilité des traitements doit être assurée par le caractère périodique et laminaire du plasma et de l’injection synchrone. Le diagnostic résolu en temps du plasma avec et sans injection par imagerie ou spectroscopie optique d’émission permet d’étudier les propriétés du plasma et les dépôts sont obtenus en fonction du « timing » de l’injection.

Un jet de plasma d’arc laminaire pulsé a été développé et produit des balles de plasmas thermiques dans lesquelles sont injectées de manière synchronisée grâce à une buse piézo-électrique des gouttelettes de 50 micromètres de diamètre contenant des particules céramiques de quelques nanomètres de diamètre. La dynamique d’interaction entre plasma et les matériaux est analysée par spectroscopie optique d’émission démontrant l’importance du timing de l’injection. De plus, la qualité de la synchronisation affecte également les propriétés des dépôts formés.

Le projet PLASMAT a permis d’identifier et de mieux comprendre les conditions d’obtention du mode pulsé auto-entretenu et d’y associer une technologie d’injection piézo-électrique de liquide. Des diagnostics résolus en temps et synchrones ont été implémentés pour mettre en évidence l’influence du délai d’injection sur le traitement en vol. Des dépôts de dioxyde de titane et de nitrure d’aluminium ont été obtenus dont les propriétés microstructurales dépendent du délai d’injection.
Le projet PLASMA ouvre des perspectives originales dans le domaine de la projection par plasma d’arc comme par exemple l’utilisation d’une source à courant pulsé pour contrôler les fluctuations de l’arc. Il reste néanmoins de nombreux efforts de recherche à accomplir pour comprendre l’effet du courant pulsé sur le mouvement de l’arc confiné dans une torche.
Enfin, si l’oscillation du plasma peut être stabilisée grâce à une source de courant pulsé, des systèmes d’injection robustes et flexibles présentant des débits de matière compétitifs avec les contraintes industriels doivent être développés.

Les travaux de PLASMAT ont donné lieu à 8 publications dans des journaux internationaux à comité de lecture, 4 conférences invitées dans des congrès internationaux et 9 communications dans des congrès internationaux et nationaux.

F. Mavier, V. Rat, M. Bienia, M. Lejeune, and J.F. Coudert, Suspension and precursor solution plasma spraying by means of synchronous injection in a pulsed arc plasma, Surface and Coating Technol. soumise
V. Rat and J.F. Coudert, Analytical interpretation of arc instabilities in a dc plasma spray torch: the role of pressure, J. Phys. D: Appl. Phys. 49 235202 (2016)
V. Rat and J.F. Coudert, Theoretical and experimental investigations of the coupling of time-dependent parameters in a blown arc plasma torch, J. Phys. D: Appl. Phys. 49 065203 (2016)
V. Rat, J. Krowka, and J.F. Coudert, Modulation of the specific enthalpy of a pulsed arc plasma jet, Plasma Sources Sci. Technol. 24 045009 (2015)
V. Rat, F. Mavier, M. Bienia, M. Lejeune, J.F. Coudert, Pulsed Plasma Spraying of Liquid Feedstock for Coating Elaboration, Plasma Physics and Technology 2 251-260 (2015)
J. Krowka, V. Rat, S. Goutier and J.F. Coudert, Suspension phased injection in pulsed arc jet for coating elaboration, J. Thermal Spray Technol. , J. Thermal Spray Technol. 23 786-794 (2014)
J. Krowka, V. Rat and J.F. Coudert, Investigation and control of dc arc jet instabilities to obtain a self-sustained pulsed laminar arc jet, J. Phys. D: Appl. Phys. 46 505206 (2013)
J. Krowka, V. Rat and J.F. Coudert, Resonant mode for a dc plasma spray torch by means of pressure–voltage coupling: application to synchronized liquid injection, J. Phys. D: Appl. Phys. 46 224018 (2013)

La diminution des ressources naturelles énergétiques, les préoccupations écologiques et une meilleure gestion de l’énergie donnent lieu au développement de dispositifs de plus en plus sophistiqués associant des matériaux céramiques et métalliques en couche. L’élaboration de dépôts céramiques finement structurés à gradients de propriétés nécessite la mise en œuvre de procédés avancés tels que la projection par plasma d’arc de suspensions ou de solutions qui ont récemment donnés des résultats très prometteurs. Cependant, ces nouveaux procédés rencontrent des difficultés de reproductibilité dans les propriétés des matériaux élaborés en raison des transferts de masse et de chaleur mal maîtrisés entre le plasma et les matériaux en vol, des instabilités du plasma et de la méthode d’injection des matériaux. Ces inconvénients rendent alors problématique la synthèse de dépôts de matériaux ayant une température de fusion très proche de la température de décomposition. De plus, les instabilités du plasma entraînent un traitement inhomogène des matériaux en vol. L’objectif de ce projet est de répondre aux difficultés mentionnées ci-dessus en développant un plasma d’arc résonant accordable associé à une injection synchrone de matériaux. Cette nouvelle source plasma permettra de générer des jets de plasmas d’arc laminaires pulsés et de contrôler les transferts de masse et de chaleur en ajustant l’instant d’injection de matériaux dans le plasma en fonction de l’enthalpie disponible. Le contrôle de la fréquence de résonance du plasma aura pour effet de modifier la chimie du plasma afin de favoriser la projection plasma réactive qui est difficilement exploitable en projection plasma conventionnelle. En premier lieu, les phénomènes de résonance du plasma seront étudiés et les propriétés du plasma déterminées sans et avec injection de matériaux par spectroscopie d’émission. Puis, les dépôts seront élaborés permettant de corréler les propriétés du plasma avec celles des dépôts.