Leçon 11.10RevêtirChapitre 11 · Revêtements et finition de surface

Projection thermique (plasma, HVOF, arc)

Des gouttelettes fondues projetées sur une pièce s'empilent en une couche

La projection thermique fait fondre un matériau de revêtement en minuscules gouttelettes et les projette sur une pièce. Elles s'aplatissent à l'impact et s'empilent en une couche épaisse. Du zinc projeté protège les ponts en acier, une céramique projetée protège les pièces de moteurs d'avion de la chaleur, et du métal projeté reconstruit des arbres usés.

Photo : zircotec.com, Attribution, via Wikimedia Commons

Projection thermique · pistolet à plasma, lamelles de gouttelettes, trois sources de chaleurLe haut montre un pistolet à plasma au travail ; le gros plan montre comment le revêtement se construit. Les numéros cerclés correspondent aux étapes ci-dessous.

Comment ça marche

Préparer la surface. La pièce est nettoyée, les zones qui doivent rester nues sont masquées, et la surface est sablée au corindon (projection de grains durs) pour la rendre rugueuse. La surface rugueuse donne prise aux gouttelettes.
Faire fondre le matériau. Le pistolet fait fondre une poudre ou un fil. Un pistolet à plasma utilise un arc électrique pour transformer un gaz en plasma (un gaz chargé électriquement) à environ 10 000 °C. Les pistolets HVOF (oxy-combustible à grande vitesse) brûlent du carburant avec de l'oxygène, et les pistolets à arc fondent deux fils métalliques avec un arc électrique.
Projeter les gouttelettes. Le jet de gaz chaud lance les gouttelettes fondues sur la pièce à des centaines de mètres par seconde.
S'écraser et se figer. Chaque gouttelette frappe, s'aplatit en une fine crêpe appelée lamelle, et se fige presque instantanément. La pièce elle-même reste assez froide, souvent sous environ 150 °C.
Construire et finir. Un robot balaie le pistolet d'avant en arrière : les lamelles s'empilent en un revêtement généralement épais de 0,1–1 mm. La surface sort rugueuse : les pièces de précision sont donc rectifiées ou polies ensuite.

Chiffres clés

Matériaux: Métaux (zinc, aluminium, acier inoxydable, alliages de nickel), carbures (carbure de tungstène-cobalt), céramiques (alumine, zircone), certains plastiques
Pièces typiques: Arbres, cylindres, aubes de turbines, tubes de chaudières, pièces de pompes, implants, ponts
Taille de pièce: De petits implants à des ponts entiers et des réservoirs de stockage ; le pistolet n'a qu'à atteindre la surface
Précision: Revêtements d'environ 0,05–3 mm d'épaisseur, environ ±0,05 mm brut de projection ; plus serré après rectification
État de surface: Mat et rugueux brut de projection, comme du papier de verre fin ; les carbures peuvent être rectifiés jusqu'au miroir
Taille de série adaptée: De la réparation unique aux séries de production de pièces aéronautiques et automobiles
Coût d'outillage et de machine: Des milliers de dollars pour un pistolet à flamme ou à arc ; souvent des centaines de milliers pour une cellule plasma ou HVOF avec robot et cabine
Vitesse: Généralement plusieurs kilogrammes de revêtement par heure ; une pièce prend de quelques minutes à quelques heures

Atouts et limites

Atouts

Revêtements épais, jusqu'à plusieurs millimètres
Presque tout matériau qui fond : métaux, céramiques, carbures
La pièce reste assez froide : elle ne se déforme pas et ne perd pas son traitement thermique
Reconstruit des pièces usées ou mal usinées

Limites

Ligne de visée : le pistolet doit voir la surface, les trous profonds sont donc difficiles
Les revêtements contiennent de petits pores et s'accrochent mécaniquement plutôt que de fusionner
Rugueux brut de projection ; les pièces de précision demandent une rectification
Bruyant, poussiéreux et lumineux : exige une cabine fermée ou un robot

Où on l'utilise

AéronautiqueCéramique thermo-barrière sur aubes de turbines, carbure dur sur trains d'atterrissage
InfrastructuresZinc et aluminium contre la rouille sur ponts, mâts d'éoliennes et réservoirs
ÉnergieCouches résistantes à la corrosion sur tubes de chaudières et pièces de pompes
Papeteries et aciériesRevêtements durs en carbure sur de grands cylindres
MédicalTitane poreux ou hydroxyapatite (un minéral proche de l'os) sur les prothèses de hanche, pour que l'os s'y fixe
RéparationReconstruction d'arbres usés, de portées de roulements et de corps de pompes

Comment le reconnaître

Un revêtement mat, légèrement rugueux, souvent gris, qui rappelle le papier de verre fin.
Des bords de revêtement qui s'arrêtent à une ligne de masquage nette.
Au grossissement, une structure en couches, en forme de crêpes, avec de petits pores.
Une bande de carbure rectifiée, brillante comme un miroir, sur un arbre ou un cylindre, d'une couleur différente de l'acier autour.

À comparer avec

Projection à froid (cold spray)11.11projette des particules qui restent solides et se soudent à l'impact ; la projection thermique les fait d'abord fondre.Galvanisation à chaud11.4revêt l'acier de zinc en plongeant toute la pièce ; le zinc projeté convient aux structures énormes ou fixes.Dépôt par énergie dirigée8.7fait fondre la poudre au laser en une couche métallique entièrement fusionnée ; les lamelles de la projection thermique s'accrochent mécaniquement.

À regarder

Austchrome · Comment un pistolet HVOF fait des revêtements denses et durs

Curtiss-Wright Surface Technologies · Tout le procédé d'atelier : masquage, sablage, projection robotisée

MTU Aero Engines · Des robots projettent du plasma sur des pièces de moteurs d'avion

Alec Steele · Projection à la flamme, à l'arc et de poudre essayée dans un atelier

Voir de vraies photos

Wikipédia : Thermal spraying — toutes les variantes (plasma, HVOF, arc, flamme) et leurs usages, avec des liens vers des photos
Recherche de photos sur Wikimedia Commons

À retenir

La projection thermique fait fondre un matériau, projette les gouttelettes sur une pièce et les laisse s'empiler en un revêtement.
Les revêtements sont épais (généralement 0,1–1 mm) et rugueux, mais la pièce reste assez froide.
Les pistolets plasma, HVOF et à arc diffèrent surtout par la manière de produire la chaleur.