La technologie de revêtement par pulvérisation à froid est une technique de revêtement dans laquelle des particules de poudre métallique sont maintenues en position dans un flux de gaz supersonique et accélérées à grande vitesse, et lorsqu'elles entrent en contact avec une surface, elles se collent les unes aux autres. Cette technique diffère également de nombreuses autres techniques de pulvérisation, telles que la pulvérisation thermique, où les matériaux fondent ou sont partiellement fondus pendant le processus de dépôt, alors que dans la fabrication de métal par pulvérisation à froid, les particules ne le sont pas. Cela permet la fabrication de revêtements fonctionnels et de structures indépendantes sans distorsion ou dégradation thermique commune aux méthodes à haute température.

Le procédé de pulvérisation à froid consiste à accélérer l'alimentation en poudre au moyen d'un jet de gaz à haute pression, généralement de l'hélium ou de l'azote, à l'intérieur d'une buse de pulvérisation.
La vitesse des particules peut atteindre 1000 m/s et l'énergie cinétique est utilisée pour déformer plastiquement les particules solides et permettre la formation d'une liaison. Lors de l'impact avec la surface du substrat, la poudre subit une déformation plastique et, en raison de l'énergie élevée de l'impact, il se produit un clavetage mécanique intime entre le revêtement et le substrat... Une liaison métallurgique limitée peut également se produire aux points de contact, ce qui entraîne d'excellentes propriétés d'adhérence.

L'utilisation de la fabrication métallique par projection à froid présente de nombreux avantages par rapport aux méthodes de revêtement par projection thermique. En particulier, les basses températures du processus évitent d'endommager à la fois le matériau de revêtement et le substrat. Les matériaux sensibles à la chaleur qui s'oxyderaient ou se dégraderaient habituellement à des températures élevées peuvent être revêtus. Les contraintes résiduelles dans les revêtements pulvérisés à froid sont fortement compressives, ce qui améliore la résistance du revêtement et réduit la fissuration ou la délamination. L'efficacité globale du dépôt de la technologie de revêtement par pulvérisation à froid est bien plus élevée que celle des techniques de pulvérisation à l'arc ou à la flamme, ce qui permet d'obtenir des revêtements plus denses et de meilleure qualité.

Les applications de la fabrication métallique par projection à froid sont très variées en raison de ces avantages. Dans le secteur aérospatial, les revêtements par projection à froid peuvent restaurer des composants usés ou endommagés, comme les pales de turbine, sans compromettre l'intégrité structurelle. Les revêtements métalliques de Calumet appliquent des alliages d'aluminium à haute résistance sur des composants d'avion en aluminium ou en composite pour prolonger leur durée de vie. Les constructeurs automobiles utilisent des revêtements résistants à la corrosion et à l'usure pour augmenter la durée de vie des pièces automobiles. Dans les applications industrielles, la fabrication métallique par projection à froid est utilisée pour la réparation et la restauration des machines, ainsi que pour le dépôt de nouveaux matériaux, tels que Métaux imprimés en 3D. Les industries biomédicales et énergétiques utilisent également des revêtements et des structures traités par pulvérisation à froid.

En résumé, la technologie de revêtement par pulvérisation à froid représente une innovation importante dans la technologie de revêtement à l'état solide. L'absence d'apport thermique élevé permet de revêtir une large gamme de matériaux avec une adhérence et une densification supérieures à celles des méthodes traditionnelles de pulvérisation thermique. Le perfectionnement continu de l'équipement et des processus de fabrication métallique par pulvérisation à froid améliore la viabilité dans de nombreuses industries en permettant la réparation, l'amélioration et la fabrication de revêtements et de géométries fonctionnels complexes.

Historique et principe de fonctionnement de la pulvérisation à froid

La technique de pulvérisation à froid a été découverte au milieu des années 1980, après que des chercheurs russes eurent étudié le dépôt de particules à vitesse supersonique. Elle repose sur l'utilisation d'un gaz à haute pression chauffé électriquement, tel que l'azote ou l'hélium, pour propulser des poudres métalliques à travers une buse convergente-divergente à des vitesses supérieures à la vitesse critique nécessaire à l'adhérence des particules lors du frittage.

Avantages de la technologie de revêtement par pulvérisation à froid par rapport à la pulvérisation thermique

La pulvérisation à froid permet d'obtenir des revêtements plus résistants que la pulvérisation thermique en raison d'un verrouillage mécanique prédominant à des températures plus basses, ce qui minimise l'oxydation, préserve la microstructure de la poudre et réduit la porosité.

Matériaux et applications de la projection à froid

La pulvérisation à froid est capable de traiter une large gamme de matériaux en raison de sa nature à l'état solide. Il s'agit notamment de divers métaux, alliages, céramiques et de certains polymères. Les procédés les plus courants Revêtement en poudre Les produits destinés à la fabrication métallique par projection à froid comprennent les alliages d'aluminium, les alliages d'acier, les alliages de cuivre et les mélanges composites.

Les alliages d'aluminium tels que 6061, 7075 et 2024, largement utilisés dans l'industrie aérospatiale, peuvent être déposés par pulvérisation à froid. Les revêtements atteignent des résistances supérieures aux propriétés de la poudre de départ tout en conservant leur ductilité. Les composants aéronautiques soumis à des contraintes de fatigue et d'usure sont restaurés ou renforcés à l'aide de revêtements d'alliages d'aluminium projetés à froid.

Les poudres d'alliage d'acier telles que l'acier inoxydable 316, les aciers au carbone et les superalliages, y compris l'Inconel, se prêtent également au traitement par pulvérisation à froid. Les revêtements protecteurs en acier déposés par projection à froid présentent une grande force d'adhérence associée à une résistance à l'oxydation et à la corrosion. Les pièces de machines endommagées qui subissent l'usure peuvent être reconstruites à leurs spécifications d'origine grâce aux revêtements d'acier déposés par projection à froid.

La fabrication métallique par pulvérisation à froid permet des combinaisons de matériaux uniques grâce au mélange de poudres avant le dépôt. Les revêtements de matériaux composites ou à gradation fonctionnelle incorporant des mélanges de métaux, de céramiques ou de polymères élargissent les possibilités de la technique. Les exemples incluent les composites tungstène-nickel ou les composites à matrice métallique en aluminium.

Grâce à des avantages notables tels que l'absence de distorsion thermique et une oxydation minimale, la projection à froid se prête bien aux réparations, améliorant ainsi la durée de vie des produits dans tous les secteurs d'activité. Les secteurs de l'automobile et de l'aérospatiale se tournent vers la projection à froid pour obtenir des revêtements résistants à la corrosion et à l'usure. Les applications optiques, biomédicales et énergétiques utilisent également des composants traités par projection à froid en raison de leur haute qualité. revêtement de conversion au chromate. La restauration dimensionnelle de l'outillage et des composants usés est un autre domaine d'application important soutenu par les attributs de traitement non thermique reproductibles de la fabrication métallique par projection à froid.

Paramètres du processus de fabrication métallique par pulvérisation à froid

Gaz et température

L'hélium et l'azote sont des gaz inertes couramment utilisés qui sont chauffés électriquement aux températures souhaitées pour ramollir et accélérer les particules à des vitesses supersoniques. Des températures plus élevées réduisent la vitesse critique mais peuvent affecter le substrat si elles ne sont pas contrôlées correctement.

Poudre d'alimentation

La distribution de la taille des particules, de 50 à 100 μm en moyenne, influence le comportement de l'écoulement et la capacité à atteindre la vitesse critique. Les poudres tempérées et sphériques maximisent le débit.

Vélocité

La vitesse des particules doit dépasser les valeurs critiques pour que la déformation plastique et l'adhérence aux interfaces soient suffisantes. La vitesse est influencée par la conception de la buse, la pression et la température du gaz, des valeurs supersoniques supérieures à 1000 m/s pouvant être atteintes.

Optimisation des processus

Une sélection appropriée des paramètres ci-dessus permet d'obtenir des revêtements de haute qualité, à faible porosité, avec une densité proche de la théorie, grâce à la minimisation des défauts de dépôt. L'optimisation est essentielle pour régler la microstructure et obtenir les propriétés souhaitées.

Microstructure et propriétés des revêtements projetés à froid

Microstructure

Les revêtements conservent la structure de la poudre, sauf aux joints de grains dominés par la déformation, où se produit une recristallisation submicronique. La densité de dislocation est élevée, ce qui se traduit par une dureté égale ou supérieure à celle du produit de départ.

Mécanisme de liaison

À des vitesses suffisamment élevées, des instabilités de cisaillement adiabatiques provoquent des jets de métal, ce qui améliore la qualité de la liaison interparticulaire. Les revêtements se forment par l'empilement de splats sévèrement déformés plastiquement et liés par l'écrouissage.

Contraintes résiduelles

Contrairement aux processus thermiques, les contraintes résiduelles de compression améliorent la durée de vie en fatigue et la résistance mécanique. Les contraintes sont dues à la déformation plastique rapide lors du dépôt et à l'écrouissage lors des passages suivants.

Porosité

Les revêtements de fabrication métallique par projection à froid bien déposés contiennent beaucoup moins de porosité que les équivalents par projection thermique, se rapprochant de la densité théorique, grâce aux mécanismes sous-jacents de déformation plastique et de projection de métal.

Comparaisons avec la projection thermique et d'autres procédés

La pulvérisation à froid offre des caractéristiques uniques malgré l'utilisation de vitesses de gaz supersoniques comme dans les technologies de pulvérisation thermique.

Différences par rapport à la pulvérisation thermique

L'absence de fusion permet d'éviter des problèmes tels que l'oxydation, de préserver les microstructures de la poudre, d'obtenir des dépôts plus résistants et de protéger les substrats grâce au traitement à l'état solide. La liaison mécanique domine les effets métallurgiques observés dans les méthodes à haute température telles que le HVOF et la pulvérisation plasma.

Propriétés supérieures à celles des autres revêtements

Les impacts de particules solides à haute vitesse permettent d'obtenir des revêtements plus denses avec une porosité réduite et des caractéristiques de pulvérisation plus fines par rapport aux revêtements HVOF, à l'arc à fil et à la pulvérisation à la flamme. Les contraintes résiduelles de compression bénéfiques améliorent également les performances mécaniques.

Applications nécessitant un traitement à l'état solide

Outils de fabrication métallique permet de traiter des matériaux sensibles à la température, comme les alliages d'aluminium, qui ne peuvent pas être traités par pulvérisation thermique. Elle permet le dépôt de nanomatériaux et d'alliages amorphes tout en conservant leurs propriétés d'origine en raison de l'absence d'effets de chauffage.

Perspectives d'avenir

La pulvérisation à froid continue de gagner en importance à mesure que les applications se diversifient grâce aux développements technologiques.

Les nouvelles techniques de conception sont prometteuses pour exploiter les attributs de la pulvérisation à froid. CS peut refaire la surface des canaux intérieurs, ajouter des caractéristiques complexes et intégrer des traitements de surface spécialisés à l'aide d'approches de fabrication hybrides.

Les options de post-traitement telles que le chauffage par induction localisé permettent de réduire la porosité sans compromettre le revêtement. Les traitements thermiques sélectifs peuvent également améliorer la qualité du revêtement. propriétés mécaniques.

La capacité inhérente de la projection à froid à déposer à l'état solide une large gamme de matériaux techniques sans endommager les substrats la rend particulièrement adaptée à la réparation et à la restauration des composants critiques pour la sécurité. Les secteurs de l'aviation, des infrastructures pétrolières/gazières et de la production d'énergie devraient bénéficier considérablement de la prolongation de la durée de vie des équipements grâce aux revêtements CS.

Les unités portables de fabrication métallique par projection à froid étendent leur portée pour effectuer des réparations sur site afin de réduire les temps d'arrêt et les coûts. L'optimisation continue vise à réduire la taille des équipements tout en préservant la qualité du revêtement et l'efficacité du processus. Dans l'ensemble, la pulvérisation à froid présente un fort potentiel d'augmentation de la productivité industrielle et de l'impact économique dans tous les secteurs en permettant de nouvelles solutions de dépôt de matériaux.

Conclusion

En conclusion, la pulvérisation à froid s'est imposée comme un procédé de revêtement à l'état solide polyvalent et avantageux. En accélérant les particules de poudre à des vitesses supersoniques à l'aide de gaz comprimé, la pulvérisation à froid permet de déposer mécaniquement une grande variété de matériaux d'ingénierie sans oxydation. Cela permet d'appliquer des revêtements sans endommager les substrats thermosensibles.

Par rapport aux techniques traditionnelles de projection thermique à haute température, la projection à froid offre des avantages significatifs tels que la réduction de la porosité, la conservation des propriétés des matériaux et la réduction des contraintes résiduelles dans les revêtements. Par conséquent, les composants revêtus à l'aide de la fabrication métallique par projection à froid dépassent souvent les normes de conception avec des propriétés mécaniques supérieures à celles du matériau de base.

Initialement développée pour des applications de réparation et de restauration, la technologie de pulvérisation à froid continue de s'étendre à de nouveaux secteurs industriels et domaines d'application. Les progrès des techniques de fabrication hybride permettent de réaliser des géométries complexes et des revêtements fonctionnels. Les méthodes de post-traitement permettent également d'améliorer les performances des revêtements.

Dans l'ensemble, la nature solide et les attributs de revêtement supérieurs de la pulvérisation à froid la placent en bonne position pour répondre à divers besoins d'ingénierie. Les progrès technologiques continus laissent présager une utilisation croissante dans les industries critiques pour le développement de nouveaux produits et la prolongation de la durée de vie des composants. La fabrication métallique par projection à froid s'avère être une solution de revêtement puissante qui soutient les solutions matérielles innovantes et les approches de fabrication intelligentes de l'avenir.

FAQ

Q : Qu'est-ce que le cold spray ?

R : La pulvérisation à froid est une technique de revêtement qui utilise un flux de gaz supersonique pour diriger une charge de poudre métallique vers une surface et provoquer un impact de particules à haute énergie.

Q : Comment cela fonctionne-t-il ?

R : Un gaz inerte tel que l'hélium ou l'azote est pressurisé, chauffé et forcé à travers une buse de Laval. Les particules supersoniques se déplacent à une vitesse supérieure à 1000 m/s, ce qui, lors de l'impact sur le substrat, entraîne une déformation plastique et un collage.

Q : Le procédé de pulvérisation à froid est l'une des méthodes les plus récentes utilisées pour les revêtements de surface, et il présente de nombreux avantages par rapport à la pulvérisation thermique.

R : Les avantages consistent en la possibilité de réduire le taux d'oxydation, de préserver la microstructure du matériau de revêtement, d'obtenir une structure plus dense, une adhérence plus forte et un effet plus faible de la contrainte thermique sur le substrat.

Q : Sur quel type de matériau le revêtement peut-il être appliqué ?

R : La pulvérisation à froid peut par exemple déposer des matériaux d'ingénierie qui comprennent des métaux et des alliages, des céramiques et certains polymères. Il s'agit notamment de l'aluminium, du titane, des composés apparentés au nickel et de l'acier, y compris l'acier inoxydable. Q : Quelles sont les applications courantes ? R : L'entretien et la remise en état des structures et des pièces des secteurs de l'automobile, de l'aviation, des infrastructures, des machines et de la fabrication, qui nécessitent une prolongation de la durée de vie de certaines pièces.