Guide sur la projection thermique

Qu'est-ce-que la projection thermique ?

Les techniques de projection thermique consistent en une source de chaleur, comme une flamme, et un matériau d'apport, généralement, de la poudre ou du fil, qui est fondu en petites gouttelettes et projeté sur des surfaces à grande vitesse. Ce procédé industriel de revêtement est aussi parfois appelé “ soudage par projection ”.

Les revêtements par projection thermique sont généralement appliqués sur des substrats métalliques et parfois appliqués sur des matériaux de base en plastique ou en céramique. Ils améliorent les performances du composant en offrant une résistance à l'usure, une résistance à la corrosion ou des barrières thermiques renforcées, et sont une alternative polyvalente et efficace aux autres méthodes de revêtement. Pour les applications d'ingénierie, les revêtements thermiques se distinguent par leur capacité à appliquer des métaux, des cermets, des céramiques et des polymères avec une porosité minimale et des forces de liaison très élevées sans fondre ni trop chauffer le substrat.

La qualité du revêtement est généralement évaluée en calculant la porosité, la teneur en oxyde, la macro et la microdureté, la rugosité de surface et la force de liaison. Au fur et à mesure que les vitesses des particules augmentent, en général, la qualité du revêtement augmente aussi.

Les différents procédés de projection thermique incluent :

• la projection plasma
• le procédé HVOF
• la projection par canon à détonation (D-Gun)
• la projection à arc électrique
• la projection dynamique à froid (Cold Spray)
• la projection à la flamme
• le procédé HVAF
• la projection et la fusion

La projection thermique offre la possibilité d'appliquer toute une gamme de matériaux de revêtement tels que les céramiques, les métaux, les alliages, les cermets, les carbures, les polymères et les plastiques. Les revêtements par projection thermique permettent de créer un composant à l'aide d'un substrat et d'un matériau de revêtement qui ne peuvent être réalisés l'un sans l'autre. Ils permettent également d'utiliser des matériaux de base peu coûteux dans des applications d'usure/de corrosion exigeantes, en appliquant les propriétés mécaniques et de résistance à la corrosion requises « à la surface ». Des milliers d'applications dans pratiquement tous les secteurs utilisent la technologie de projection thermique du fait de ses avantages économiques.

Un contrôle strict des paramètres de projection permet d'appliquer différentes épaisseurs de revêtement, des très minces aux plus denses, un revêtement à hautes cohésions appliqué à des vitesses et des épaisseurs de dépôt élevées. Même si la plupart des revêtements par projection thermique sont liés mécaniquement au substrat, certains d'entre eux peuvent être traités thermiquement pour obtenir une liaison encore plus forte avec le substrat. La projection thermique permet aussi de projeter des matériaux de revêtement à des points de fusion plus élevés que ceux du substrat. La plupart des pièces sont projetables avec un préchauffage ou un post-traitement minimal voire nul, et la possibilité de contrôler l'apport de chaleur au niveau du métal de base est très bien comprise et, par conséquent, facilement contrôlable. Les pièces peuvent être revêtues « neuves » ou reconstruites/rénovées à un prix qui correspond généralement à une fraction du prix du matériau forgé ou du prix de remplacement. La polyvalence et la rentabilité exceptionnelles des revêtements par projection thermique en font un outil attrayant pour les ingénieurs concevant de nouveaux composants résistants à l'usure/à la corrosion ainsi que pour les professionnels de la maintenance et de la réparation qui gèrent la disponibilité des équipements avec un budget serré.  

Depuis le lancement des revêtements par projection thermique au milieu du 20^è siècle, le personnel de surveillance et de maintenance dans les usines s'est appuyé sur la technologie de projection thermique pour améliorer les composants critiques des équipements industriels légers et lourds. Les techniciens en projection thermique n'ont cessé d'améliorer la technologie de la projection thermique en créant de nouveaux systèmes et matériaux de distribution (principalement des poudres) et, autre point peut-être plus important, en perfectionnant le savoir-faire en matière d'application afin de l'appliquer à de nouvelles et intéressantes applications potentielles. 

Nos principaux procédés de projection thermique sont la détonation, la flamme, l'arc, le plasma et l'oxygène à haute vitesse (HVOF).

Projection par détonation
Il s'agit d'un procédé propriétaire inventé par Praxair Surface Technologies. Le gaz et la poudre sont combinés dans des détonations contrôlées et projetés à des vitesses supersoniques sur la pièce. Les matériaux courants sont le carbure de tungstène ou le carbure de chrome, les alliages métalliques, les céramiques et les cermets.

Projection à la flamme
Ce procédé est économique et peut facilement être effectué en magasin ou sur site. Également connu sous le nom de projection de combustion oxy/acétylène, il s'agit de la technique de projection thermique la plus ancienne, développée il y a 100 ans. L'oxygène et le gaz carburant, comme l'acétylène, le propane ou le propylène, sont introduits dans une torche pour produire une flamme. Du fil ou de la poudre peut être chauffé(e) sur un substrat pour former un revêtement sur la surface à traiter. Les aciers inoxydables, le nickel, les aluminures, les alliages Hastelloy, l'étain et le métal en régule (un alliage à base d'étain) sont quelques-uns des matériaux sur lesquels la projection à la flamme peut être appliquée.

Projection à arc électrique
Au cours de ce procédé, deux fils sont mis en contact l'un avec l'autre en même temps au niveau de la tuyère. Lorsque la charge électrique est placée sur les fils, les bouts des fils ne cessent de fondre. Des gaz d'atomisation, comme l'air ou l'azote, servent à éliminer le matériau fondu des fils afin de l'orienter vers la surface à traiter. La projection à arc électrique est plutôt économique et fonctionnelle sur le terrain. Les vitesses qui ont de faibles particules permettent une épaisseur de revêtement maximale élevée pour tout matériau spécifié. Les matériaux généralement appliqués par projection à arc électrique comprennent les aciers inoxydables, les alliages Hastelloy, les aluminures de nickel, le zinc, l'aluminium et le bronze.

Projection plasma
La projection plasma est généralement considérée comme le procédé de projection thermique le plus polyvalent. Des gaz, comme l'argon et l'hydrogène, sont introduits dans une torche tout au long de la projection plasma. Les gaz sont dissociés et ionisés par un arc électrique. Les composants atomiques se recombinent au-delà de la tuyère et dégagent une immense quantité de chaleur. La température dans la zone de l'arc dépasse généralement les 10 000 °C, ce qui est une température supérieure à la température moyenne de fusion de n'importe quel matériau. La poudre est injectée dans la flamme plasma où elle fond et est projetée sur la surface à traiter.

HVOF
Ce procédé est relativement nouveau et a permis d'appliquer la gamme des applications de projection thermique à des endroits auparavant inaccessibles. Dans le procédé HVOF, un carburant gazeux, comme l'hydrogène, ou un carburant liquide, comme le kérosène, est mélangé à de l'oxygène et brûle à l'intérieur de la chambre de combustion de la torche à haute pression. La poudre est injectée dans la flamme, chauffée et accélérée en raison de la vitesse élevée du gaz’. Cela crée des revêtements très denses par projection thermique. Le procédé HVOF est la technique privilégiée pour la projection thermique des carbures résistants à l'usure et à la corrosion ainsi que des alliages Hastelloy, Tribaloy et Inconel.

Les améliorations apportées à l'application de la projection thermique comprennent :

• Résistance à l'usure et contrôle :

• Résistance à l'abrasion
• Résistance à l'adhérence (frictions)
• Résistance à l'oxydation
• Résistance à la cavitation
• Résistance à l'érosion
• Remplacement de l'usure du métal

• Résistance à la corrosion et protection

• Amélioration des propriétés mécaniques