précurseurs en projection thermique : poudresplasmasfroids.cnrs.fr/IMG/pdf/Precurseurs1.pdf ·...

atelier CNRS "procédés plasma thermique : dépôt et découpe", Limoges, 4-5 juin 2009

précurseurs en projection

thermique : poudres

Ghislain [email protected]


2


paramètres extrinsèques vs intrinsèques

propriétésd'usage

• adhérence au substrat• prop. mécaniques

•prop. thermochimiques•prop. physicochimiques

• etc.

dépôt• épaisseur• cohésion

• composition• phases

• contraintes• porosité

• etc.

écrasement• taille / forme des lamelles

• taux d'écrasement• vitesse de solidification

• etc.

substrat• forme

• physicochimie de surface• topologie de surface• état métallurgique

• prop. thermomécaniques• prop. physicochimiques

• etc.

particulesen vol

• température• vitesse

• trajectoire• etc.

injection• mode

• densité de mouvement• etc.

précurseur• nature

• composition• distribution des tailles

• morphologie•etc.

cinématique• trajectoires

• vitesse sur trajectoire• etc.

procédé• puissance

• gaz• géométrie torche

• rendement•etc.

SELECTION CRITIQUE

CONDITIONS CRITIQUES

3


différents types de précurseurs

solide fusionaccélération

écrasementsolidification

gazeux condensation

liquide

fragmentation

vaporisation précipitation

réaction en vol

4


quelques morphologies de précurseurs

SPHÉRIQUEdensecreuse

poreuse

IRREGULIEREsurface spécifique

ANGULEUSEdense (toujours)

5


composition des précurseurs

HOMOGENEimpuretés

ségrégations

HETEROGENEéchelle poudre

HETEROGENEéchelle particule

6


quelques architectures de précurseurs

DENSE POREUSE

CREUSE

ENROBEE

7


une (relativement) longue histoire…

imprimé en 1556

8


principales approches

schématiquement, deux approches

fragmentationliquidesolide

agglomérationparticulesmolécules

9


atomisation par jet d'eau

� alliages métalliques essentiellement

� H2O� oxydation des particules

� formes irrégulières

� augmentation de la sphéricité par surfusion du bain liquide

� procédé économique 50 μm

10


atomisation gazeuse

� alliages métalliques essentiellement

� Ar ou N2� oxydation quasi-inexistante

(ppm)� bonne sphéricité

� procédé� enceintes refroidies� atmosphères contrôlées� production onéreuse

100 μm

10 μm

11


atomisation gazeuse

l

l2dUWe

��

�

nombre de Weber("inertie / tension de surface")

We < We critique

We > We critique

12


fusion - broyage

�matériaux fragiles (céramiques) ou rendus fragiles (Ti hydrogéné)

� particules denses et anguleuses

� contamination� résidus d'usure abrasive

des boulets

40 μm

13


fusion - broyage

tamis

alimentation extraction

boulets debroyage

14


agglomération - séchage

� poudres agglomérées formées à partir d'une suspension (souvent aqueuse) � pour certains alliages métalliques et céramiques (WC-Co), la

stabilisation (état dispersé "homogène") de la suspension est rendue difficile (potentiels zéta différents)

� étapes� atomisation de la suspension en gouttes� évaporation de la phase liquide

� granules de morphologies variées� sphères pleines / creuses� particules allongées� particules aplaties� particules toroïdales� etc.

15



� suspensions avec de fortes charges massiques (50%)

� formulation de suspensions (pH, fraction de dispersant, de liant, etc.)� interactions entre particules� état de dispersion de la suspension

� suspension � taux de sédimentation (TS)� faible TS (< 0,6 pour ZrO2, < 0,7 pour Al2O3) � particules

dispersées � sphères creuses� forts TS � particules floculées � sphères pleines

16



générateurd'air chaud

cyclonecollecteur

jetatomisé

barbotine

pompe

bused'injection

17


ZrO2

TS = 0,8 TS = 0,5 TS = 0,3

relation quasi-linéaire entre TS et l'épaisseur de la coque

agglomération - séchageG. Bertrand, P. Roye,C. Filiatre, C. Coddet

Chem. Eng. Sc.60 (2005) 95 – 102

18


agglomération de particules nanométriques (< 1 nm) avec différentes masse spécifiques apparentes

R.S. Lima, B.R. MarpleMat. and Design

29 (2008) 1845–1855agglomération - séchage

TiO2

19


100 μm

n-YSZ

5 μm

n-YSZ

fusion contrôlée de l'enveloppe des particules (cohésion de la couche, échelle micrométrique)

nanoparticules agglomérées

R.S. Lima, B.R. Marple, J. Therm. Spray Technol., 2007, 16(1), 40-63

20


transfert thermique au seinde particules poreuses

position axiale [m]

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

00,02 0,04 0,06 0,08 0,100

rayo

n ad

imen

sion

née

[-] dp = 50 μm (dense)

dp = 60 μm

dp = 50 μm

dp = 40 μm

périphérie

centre

injection

front de fusion

21


effet des procédés d'élaboration

dense

poreuse

taille moyenne des particules

frittagefrittage--broyagebroyage

fusionfusion--broyagebroyage

agglomaggloméérationration--ssééchagechage

agglomaggloméérationration--frittagefrittage

sphsphééroroïïdisationdisation

solsol--gelgel

22


une fabrication industrielle

beaucoup de compositions types……peu de compositions innovantes

23


des points clefs à contrôler

� poudres broyées� contraintes internes (recuit conseillé sinon fines)

� poudres agglomérées� teneur en liant

� poudres frittées� surface spécifique

� poudres atomisées� homogénéité (pourcentage de fines)

� poudres "sphéroïdisées" (flamme / plasma)� pourcentage traité (� 70% en plasma d'arc soufflé)

24


caractéristiques des précurseurs

� composition� taux d'impuretés (notamment O2 dans alliages métalliques)

� distribution des tailles� différents protocoles de mesure � différentes distributions…� mesure du taux de fines…� quid des particules nanométriques ?

�morphologie� pour une même morphologie et une même composition �

différentes morphologies � différentes architectures de couches…

�masse spécifique apparente

25


distribution des tailles

fréq

uenc

e (m

asse

) [%

]

10 120

100

0

diamètre [μm]

100

010 120

diamètre [μm]

dist

ribut

ion

cum

ulat

ive

(mas

se) [

%]

d10d50d90

multiples techniques de quantification… différents résultats…quid de la quantification des distributions des tailles des particules nanométriques ?

données insuffisantes

26


feed me!

� postulat� seules les particules

pénétrant dans le

cœur du jet de plasma

sont fondues

� le rendement

intrinsèque de dépôt

est corrélé

directement à la

quantité de particules

traitées

plasma

27


coulabilité

1"30

densité

blocage

interaction

perméabilitéà l'air

interactionsaux parois

distributiongranulométrique

entonnoir de Hall

angle � coulabilité écoulement

< 30° excellente facile

30° - 50° passable difficile

> 50° mauvaise impossible

28


mesure de la coulabilitéASTM

B213-83

29


quelques mesures de coulabilité

précurseur lotcoulabilité

suivant Hall (s)masse spécifiqueapparente [g/cm3]

8%YSZ-HOSP A 77,9 2,278%YSZ-S/D-S G 0,0 1,108%YSZ-F/C H 45,1 2,558%YSZ-solgel I 39,2 1,728%YSZ-S/D-S J 0,0 1,848%YSZ-S/D-S K 40,3 2,008%YSZ-HOSP L 51,3 2,278%YSZ-HOSP M 81,7 2,268%YSZ-S/D-S N 0,0 2,268%YSZ-S/D-S O 46,3 1,76

8%YSZ-HOSP8%YSZ-HOSP M

L81,751,3

2,262,27

8%YSZ-S/D-S8%YSZ-S/D-S O

N46,30,0

1,762,26

30


chimie

teneur O2 / N2(μ-sonde)

teneurs C / S(μ-sonde, combustion)

taille et forme

distribution des tailles(tamisage, imagerie, diffusion lumineuse,

etc.)

forme(imagerie)

écoulement

coulabilité (flowability)

régularité de l'écoulement (flushability)

masse spécifique apparente

contrôle qualité des précurseurs solidesprécurseur procédure de prélèvement

et fréquence de l'analyse

31


régimes d'un écoulement diphasique dans une canalisation

10

8

6

4

2

00 20 40 60 80 100

vitesse du gaz [m.s-1]

vite

sse

de la

cha

rge

[m.s

-1]

hom

ogho

mog

èè nene

trtrèès homogs homogèènene

hom

ogho

mog

èè nene

puls

puls

éé puls

puls

éé

disc

ontin

udi

scon

tinu

disc

ontin

udi

scon

tinu

annu

laire

annu

laire

annu

laire

annu

laire

32


effet de charge

12000

10000

7500

5000

2500

00 20 40 60 80 100 120

distance au point d'injection [mm]

tem

péra

ture

[K] 0 g.min-1

80 g.min-1

33


paramètres d'injection de la poudre

axe géométrique de la torche à plasma

enveloppe du jet de plasma

nez dela torche axe géométrique de l'injecteur de poudre

débit massiquede poudre

débit massiquede gaz porteur

>90 >90angle d'injection

distance injecteur /nez de torche

distance injecteur /axe de torche

diamètre de l'injecteur

34


caractéristiques du jet de plasma

• torche mono-cathode thermo-émissive F4• Ar-H2 (45-15 SLPM)• diamètre d'anode en sortie : 7 mm• I = 600A• Pnet = 27 kW• atmosphère environnante : air (1013 hPa)

distance axiale [mm]

dist

ance

radi

ale

[mm

]

T [K]

radi

al d

ista

nce

[mm

] V [m.s-1]

distance axiale [mm]

R. B

olot

, LER

MPS

-UTB

M

35


injection radiale dans le jet de plasma

2plasmaplasmaplasmapartpart vSvm ��

Vpart ~ cte � Dpartchocs multiples particules / particules et particules / paroi

mpart = f(diamètre, masse spécifique apparente)m1 < m2 < m3

m1 vpm2 vpm3 vp

6d

m3partpart

part

��

36


une erreur… (très) classique

� cas d'études paramétriques� mises au point industrielles, travaux de thèse, etc.

� effet des paramètres de puissance� débit massique total� fraction relative du / des gaz secondaires� et NON PAS les débits volumiques variés indépendamment…� �×V2, �� le débit de gaz porteur est CORRELE aux paramètres �

ajustement pour trajectoire constante (par exemple, la déviation)� très souvent, le gaz porteur est varié INDEPENDAMMENT…

� effet / sensibilité du débit de gaz porteur� les paramètres de puissance DOIVENT rester constants

37


caractéristiques du jet de particules

distance de projection

angle d'injection

angle de déviation

angle de dispersion

décalagelargeur

38


16

12

8

4

0

inte

nist

é[1

04ct

s.s-

1 ]

rayon du jet [mm]-10 0 10

inje

ctio

n

gaz (Ar)additionnel(3 Nl.min-1)

M. Vardelle, A. Vardelle, P. Fauchais, K.-I. Li, B. Dussoubs, N.J. Themelis, J. of Therm. Spray

Technol., 10 [2] (2001) 267.

injecteurde poudre

réduction de la dispersion

39


température [ C]40691011 1448 1855 2321 2758 3195 3632

fréq

uenc

e

010203040506070

particules ZrO2 (22-45 μm)procédé VPS

température [ C]35441448 1747 2047 2346 2646 2945 3244

fréq

uenc

e

010203040506070

3843

injection

jet (Ar)

G. Renouard-Vallet, thèse, Universitéde Limoges, France, 2004.

réduction de la dispersion

40


injection axiale des particules

cathode anode

buse

convergent

injecteuraxial

Axial III (Northwest Mettech Corp.)

41


840

-4-8

0 1 2 3 4posi

tion

radi

ale

[mm

]

flux de particules [103.s-1]

injections radiale vs axiale

axiale

8

4

0

-4

-8po

sitio

n ra

dial

e [m

m]

flux de particules [104.s-1]0 1 2 3 4 5

radiale

42


conséquences sur l'injectionC

. Mor

eau,

J.F

. Bis

son,

R.S

. Lim

a, B

.R. M

arpl

e,P

ure

and

App

lied

Che

mis

try, 7

7 [2

] (20

05) 4

43.

43


2 mondes : 10-6 vs 10-9

50 n

m

3000

0 nm

!1016.2volvol 8

nm50

μm30 ��

“The

Scr

eam

”, Ed

vard

Mun

ch, 1

893

44


débit de gaz porteur �

disruption du jet de plasmamasse particule �

vitesse d'injection �

verrou technologique

2plasmaplasmaplasmapartpart vSvm ��

liquide porteur ( liquide >> gaz)

45


composition ZrO2 – 8 mol.% Y2O3 cubique / tétragonale

exemple : zircone partiellementstabilisée à l'yttrine

80

60

40

20

0

volu

me

[%]

0.1 1.0 10.0diamètre [μm]

d10 = 30 nmd50 = 50 nmd90 = 120 nm

500 nm

fondue - broyée

46


précurseur YSZ

solvant Et-OH(99.5%)

charge massique [%] 20

dispersant (électro-stérique) [% charge massique]

2,1

viscosité [mPa.s] 2

mise en suspension (alcoolique)

1 μm

FESEM (mode cryogénique)

47


injection radiale

injection axiale

types d'injection

Pélec ~ 40kWAr-HeAr-H2Ar-He-H2

injection radiale

Pélec ~ 90kWArAr-H2Ar-N2-H2

convergentcathode anode

buse

injecteuraxial

48


injection pneumatiqueatomisation secondaire

� atomisation de la suspension par un gaz secondaire

� jet divergent de gouttes� perturbation du jet de plasma par le gaz

d'atomisation

49


A atomiseur capillaire

B atomiseur à turbine

C atomiseur à gaz

D nébuliseur piezo

CB

D

A

0 20 40 60 80 100 120diamètre des gouttes [m]

fréq

uenc

e

Jordan ITSC 2007

injection pneumatiqueatomisation secondaire

atelier CNRS "pr cédés lasma thermique : dépôt et découpe", Limoges, 4-5 juin 2009

diaphragme calibré ( injecteur ~150 μm)

jet de suspension ( jet ~1.6 injecteur)

jet de plasma

vitesse du jet de suspension

ajusté en fonction des propriétés du

jet de plasma(de 20 à 30 m.s-1)

injection mécaniqueatomisation primaire

injecteur mécanique (pression ~ 4000 hPa)


débit de suspension ~ 0,5 cm3.s-1

51


condition requise pour la pénétration du jet de suspension dans le jet de plasma

jet liquide jet de plasma�lVl

2 �pVp2>>

� exemple� gouttes de Et-OH (30 m.s-1) � 0,70 MPa� plasma (Ar-25H2, 10000 K, 2000 m.s-1) � 0,03 MPa

� lorsque la fragmentation est terminée, la quantité de mouvement des gouttelettes diminuent (vaporisation du solvant !)

52


disruption / recombinaisondu jet de plasma

sansinjection

12500-1200011500-1100010500-100009500-90008500-8000

11500-1100010500-100009500-90008500-8000

avecinjection H2O(20 ml.min-1)

5 mm 3 mm

-3 mm

0

-3 mm 0 3 mm

5 mm

15 mm

15 mm

53


105

104

103

102

10

1

10-1

10-2

10-3

1 10 100 1000diamètre caractéristique [nm]

duré

e ca

ract

éris

tique

[μs]

vaporisation(avec correction)

vaporisation(sans correction)

fragmentation

fragmentation ou vaporisation ?

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