Leçon 11.11RevêtirChapitre 11 · Revêtements et finition de surface

Projection à froid (cold spray)

Des grains de métal solides se soudent par la seule vitesse

La projection à froid tire de la poudre métallique solide sur une pièce si vite que les grains se soudent à l'impact, sans jamais fondre. Voyez-la comme de la projection thermique (Projection thermique) sans la flamme. Elle répare des pièces d'avions et de navires usées, et peut même construire des pièces métalliques entières couche par couche.

Photo : Александр Шоринов, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

Projection à froid · réchauffeur, alimentation en poudre, buse supersonique, gros plan de l'impactLe haut montre le pistolet du réchauffeur à la buse ; le gros plan montre ce qui se passe à l'impact. Les numéros cerclés correspondent aux étapes ci-dessous.

Comment ça marche

Chauffer le gaz. De l'azote ou de l'hélium à haute pression (souvent des dizaines de fois la pression de l'air normal) est chauffé, typiquement à quelques centaines de degrés et à environ 1 000 °C au maximum. Cela reste bien en dessous du point de fusion de la poudre.
Ajouter la poudre. Un doseur injecte de fins grains de métal, typiquement d'environ 10–50 µm de large, dans le flux de gaz.
Accélérer. Une buse convergente-divergente (qui se rétrécit puis s'élargit, appelée buse de Laval) rend le gaz supersonique. Elle entraîne les grains jusqu'à environ 500–1 000 m/s.
Impact et liaison. Chaque grain solide s'écrase à plat à l'impact. Le choc brise sa fine peau d'oxyde, et le métal propre se presse contre le métal propre et se soude à l'état solide (sans fondre).
Construire et usiner. Un robot balaie la buse sur la pièce, et les grains s'accumulent en un dépôt dense d'une fraction de millimètre à plusieurs centimètres. Comme il est rugueux, le dépôt est ensuite usiné à la forme.

Chiffres clés

Matériaux: Métaux ductiles : aluminium, cuivre, titane, nickel, tantale, aciers ; certains mélanges métal-céramique. Les poudres dures et fragiles se projettent mal
Pièces typiques: Carters et arbres réparés, revêtements anticorrosion, couches de cuivre, tuyères de fusées, bagues
Taille de pièce: De petites réparations à des dépôts de plusieurs centimètres d'épaisseur sur de grandes pièces ; limité par la portée du robot
Précision: Grossier brut de projection, environ ±1 mm ; la forme finale vient de l'usinage
État de surface: Rugueux et mat brut de projection ; les surfaces usinées ressemblent à du métal massif
Taille de série adaptée: Réparations, pièces uniques et petites séries ; revêtements de production
Coût d'outillage et de machine: Pas de moules ; installations souvent de centaines de milliers de dollars, plus le gaz (l'hélium est cher)
Vitesse: Dépôt rapide, typiquement des kilogrammes par heure pour l'aluminium ou le cuivre

Atouts et limites

Atouts

Pas de fusion : pas d'oxydation, peu de dégâts thermiques sur la pièce
Dépôts denses, des revêtements aux fortes épaisseurs
Peut joindre des métaux difficiles à souder ensemble
Rapide et bonne pour les réparations sur site

Limites

Ne fonctionne qu'avec des métaux ductiles (qui se plient)
Forme brute proche de la cote finale qu'il faut usiner
En ligne de vue, comme toute projection
L'hélium de haute qualité est coûteux, et le jet est très bruyant

Où on l'utilise

Aéronautique et défenseRemise en état de carters de boîtes de vitesses en magnésium et en aluminium corrodés
EspaceCouches de cuivre et de nickel pour les tuyères de moteurs-fusées
Électronique et énergieCuivre sur aluminium pour les dissipateurs thermiques et les contacts électriques
Pétrole, gaz et marineCouches résistantes à la corrosion, réparation d'arbres et de vannes
FabricationConstructions additives de bagues, de brides et de pièces proches de la cote finale

Comment le reconnaître

Un dépôt de métal épais et dense sur une vieille pièce, souvent d'un métal différent de celui de la pièce elle-même.
Pas de teinte de chauffe, de calamine ni de brûlures autour de la zone réparée, contrairement au soudage.
Brute de projection, une surface rugueuse et mate comme du papier de verre grossier ; après usinage, du simple métal.
Au microscope, des grains aplatis serrés les uns contre les autres avec presque aucun pore.

À comparer avec

Projection thermique11.10fait d'abord fondre la matière et laisse plus de pores et d'oxydes ; la projection à froid la garde solide.Soudage par explosion7.8la même idée de soudage par impact violent, mais avec des plaques entières au lieu de minuscules grains.Dépôt par énergie dirigée8.7construit ou répare aussi des pièces métalliques, mais en faisant fondre de la poudre avec un laser.

À regarder

TWI Ltd · Des experts expliquent le procédé, les matériaux et l'équipement

Impact Innovations | Cold Spray Made In Germany · Du cuivre et du nickel projetés, puis usinés en tuyère de fusée

UTBM Université de Technologie Belfort-Montbéliard · Un laboratoire universitaire qui construit une pièce métallique par projection à froid

3DPrint.com · Un robot qui projette un aimant à l'intérieur d'un cylindre

Voir de vraies photos

Wikipédia : Projection à froid — histoire, vitesses, gaz et usages ; surtout du texte, peu de photos
Recherche de photos sur Wikimedia Commons

À retenir

La projection à froid soude des grains de métal solides par la seule vitesse, sans fusion.
Elle demande des métaux ductiles et une buse supersonique.
Elle excelle dans les réparations et les dépôts de métal épais et denses.