Importance de l’état de surface du substrat : contrôle de ...

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Formation CNRS, Réseau Plasma Froid, Procédé plasma thermique : Dépôt et Découpe, Limoges 3-5 Juin 2009

Importance de l’état de surface du substrat : contrôle de l’interaction

plasma

A. DENOIRJEAN

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En général jet d’air comprimé R ou B ou CO2 ou Ar liquide

R : refroidissement par convection sur la surfaceB : déviation des gaz chaud + particules mal traitées, solidaire de la torche

Flux transmis à 80 et 100 mmAr (45 slm)-H2 (15 slm) plasma jet at 32 kW with a 7 mm diameter nozzle

- dimensions 1×40 mm2

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Préchauffage élimine les condensats et modifie la chimie et la rugosité de surface

Vm

Tp

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Influence de Influence de temptempéératurerature de surfacede surfacetempérature Substrat Ts / température transition Tt

Ts < Tt Ts > Tt

107 < CR < 108 K/s

Rth > 10-7 m2.K/W

Interface déchiquetée

108 < CR < 109 K/s

Rth < 10-8 m2.K/W

interface Uniforme

L. Bianchi M. Vardelle

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ZIRCONIA COATING ADHESION AS A FUNCTION OFTHE PREHEATING TIME (over the transition temperature)Zirconia stabilized (Y2O3) (-45 + 22 μm)7 mm i.d. nozzle d.c. plasma torch

Preheating (°C)

No 300°C 300°C 300°C 300°C

Preheating time (s)

0 30 60 300 900

Adhesion (MPa)

20 ± 2 30± 3 50 ± 2 40 ± 2 31 ± 4

Preheating (°C)

No 500°C 500°C 500°C

Preheating time (s)

0 120 300 900

Adhesion (MPa)

19.5 ± 2 64.5 ± 5 49.5 ± 2 45 ± 2

Ra = 4 ± 1 µm

Chute de l’adhérence avec temps de préchauffage trop long

substrate = 304 L steel

Niveau detempérature joue

Optimum

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Fe3O4

1040

Fe2O3

Preheating parameters and resulting oxide layers.

472466eCEMS

305134e2(Fe3O4)

173332e1(Fe2O3)

0.360.71X(Fe2O3)XRD

(%)

450550Tp

52Vm

Low content of Hematite

Condition 2

High content of Hematite

Condition 1

Table XIII. : Adhesion results

40 ± 8PHCPreheating to obtain low content of hematite

34 ± 4HHCPreheating to obtain high content of hematite

46 ± 2HsPreheating of the substrate during 90s at 350 °C

17 ± 4CsCold substrate

(MPa)Ref codeCoating produced on

1 cm = 125 µm

(a)

1 cm = 33 µm

(b)

Crack around a splat

1 cm = 29 µm

(c)

Université de Rouen

J. PechB. Hannoyer

Mössbauer

DRX faible incidence

FTIR

Visible / UV

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DiskSubstrate maintained at 673 KSK = 1

Intermediary

Substrate preheated at 673 K and cooled downat room temperature SK = 1

Fingered

Substrate at room temperatureSK = 0

Splat shapeZrO2 lamella(µm)

Ni lamella(mm)

AFM picturesSubstrateJu

lie C

edel

leM

Var

delle

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Pre-heating by plasma jet(~ 0.4 µm)

Temperature-Controlled oxidation (5- 20 µm)

44 ± 628 ± 716 ± 2

Substrate

Wustite

Substrate

Fe3O4

Substrate

Fe2O3

44 ± 628 ± 716 ± 2 44 ± 628 ± 716 ± 2

Substrate

Wustite

Substrate

Wustite

Substrate

Fe3O4

Substrate

Fe3O4

Substrate

Fe2O3

Substrate

Fe2O3

Low Carbon Steel

40 ± 8

34 ± 4Control of the oxide

film thicknessFe2O3/Fe3O4Substrate

Fe3O4

Fe2O3

40 ± 8


film thicknessFe2O3/Fe3O4

40 ± 8


film thicknessFe2O3/Fe3O4Substrate

Fe3O4

Fe2O3

Substrate

Fe3O4

Fe2O3

Substrate

Fe3O4

Fe2O3

55 ± 51’30 min450 °C

Ra ~ 4 à 5 µm

Substrate 55 ± 51’30 min450 °C

Ra ~ 4 à 5 µm

55 ± 51’30 min450 °C

Ra ~ 4 à 5 µm

SubstrateSubstrate

The oxide phase depends on * surface preparation* preheating temperature

Oxide film thickness < 100 nm

Composition of the formedoxide (500°C – 3 min) : NiCrO4, Fe2-xCrxO3 with x~0.1

Reaction at thecoating/substrate interface

---> intermetallics formationFe2-x-yCrxAlyO3 et FeAlO3

The oxide phase depends on * surface preparation* preheating temperature

Oxide film thickness < 100 nm

Composition of the formedoxide (500°C – 3 min) : NiCrO4, Fe2-xCrxO3 with x~0.1

Reaction at thecoating/substrate interface

---> intermetallics formationFe2-x-yCrxAlyO3 et FeAlO3

Effect of substrate oxidation on the adhesion (MPa)of alumina coating sprayed on steel substrateEffect of substrate oxidation on the adhesion (MPa)of alumina coating sprayed on steel substrate

Stainless SteelPre-heating by plasma jet

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acier bas carbone

Stéphane ValetteAlain Denoirjean

Pierre LefortGilles Trolliard

Préoxydation sous atm CO2 : 15min 1000°C

Préchauffage plasma 3min 350°C

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a)

d) [110] Fe3O4

b) [111] Fe-α

c) [110] Fe1-xO : présence de taches de surstructures typiques de la phase P’(flèches)

e) diffraction interface Fe-α/oxyde de fer

f)

Interface substrat/oxyde de fer

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d) [100] Fe3O4

c) [100] FeO

a) Vue générale

b) [100] Fe1-xO

AB

CAlumine γ

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a)

b) [100] Al2O3-γ

c) diagramme des électrons en aire sélectionnée à l’interface

magnétite/alumine γ

Interface oxyde de fer / Dépôt d’alumine

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La chimie de surface

Préoxydation par plasma d’un substrat XC38 sous atmosphère contrôlée de CO2

10

20

30

40

50

60

70

0 1 2 3 4 5 6 7

e = 2.41 µm

10

20

30

40

50

60

70

0 1 2 3 4 5 6 7

Dépôt d’alumine sur couche de wüstite polie (e = 0,36 µm, Ra = 0,06µm)

épaisseur (µm)

Adhérence (MPa)

e = 0.36 µmRa = 0.06 µme = 0.36 µm

Ra = 0.06 µm

Influence de l’épaisseur et de la rugosité de la couche d’oxyde sur l’adhérence

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Ra ~ 5 µm 55 MPa Mécanique – « Chimique »

Ra ~ 0,06 µm 0 MPa

Ra < 1 µm > 55 MPa « Chimique » - Mécanique

Ra ~ 5 µm 20 MPa Mécanique

T = 350°C

T < 100°C

T < 100°C

T = 350°C

COATING ADHESION

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acier chromino-formeur

Fabrice GoutierStéphane ValetteArmelle Vardelle

Pierre Lefort

Préoxydation sous atm CO2

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Diagrammes de diffraction des rayons X

20 30 40 50 602 θ (degrés)

Inte

nsité

(U.A

.)

SUBSTRAT

∆m/S ≈ 0.3 mg.cm-2

∆m/S ≈ 1 mg.cm-2

∆m/S ≈ 1.7 mg.cm-2

(111) (200)(220) (311) (222) (400) (422) (511) (440)

∆m/S ≈ 0.15 mg.cm-2

(104)

spinelle AB2O4

A: Fe2+, Ni2+

B: Fe3+, Cr3+

wüstite Fe1-xO

chromine Cr2O3

(220)

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Premiers tests d’adhérence des dépôts d’alumine (poudre 5-22 μm ; épaisseur 280 μm)

0

20

40

60

80

100

0 10 20 30 40 50

Temps de préoxydation à 1273 K (minutes)

Adh

éren

ce (M

Pa)

Rupture dans la colle

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Hypothèses (Δm/S < 0,2 mg.cm-2)Cr2O3

Cr, Cr3+

Cr, Cr3+

Fe, Fe2+

CO2 CO

Fe1-xO

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Hypothèses (Δm/S < 0,2 mg.cm-2)

Cr, Cr3+

Fe, Fe2+,Fe3+FeCr2O4

Cr, Cr3+

Fe, Fe2+,Fe3+FeCr2O4

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Hypothèses (0,2 mg.cm-2 < Δm/S < 1,3 mg.cm-2)

Cr, Cr3+

Fe, Fe2+,Fe3+ FeCr2O4Fe1-xO

Cr, Cr3+

Fe, Fe2+,Fe3+ FeCr2O4Fe1-xO Cr2O3

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Augmentation de la surface réactive

Hypothèses (Δm/S > 1,3 mg.cm-2)

Fissuration

Cr, Cr3+

Fe, Fe2+,Fe3+ FeCr2O4Fe1-xO Cr2O3

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PROjection Thermique Assistée par Laser

pollutants( greases, lubricants,

oxides, etc.)

Relative speed substrate /

torches

Torch(plasma, flame, wire-arc, etc.)

Laser (Nd:YAG, λ= 1,064μm)

coating substrat

Worldwide patented original patent : FR9209277

irradiation laser simultanément au procédéde dépôt

Procédé PROTAL

?

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plasma torch mass enthalpy: from 8 to 14 MJ.kg-1

~30 mm

calibrated diaphragm (Φinjector ~150 µm)

suspension stream (Φstream ~1.6×Φinjector)

plasma flow (different possible mixtures)

stream velocityfunction of

plasma flow(from 20 to 30

m.s-1)

suspension plasma spraying

mechanical injector (pressure)

heat flux ~20 MW.m-2?

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