Vers un modèle numérique fiable du fonctionnement d'une torche de projection plasma à courant continu

Discipline

Matériaux céramiques et traitements de surface

Classification

Sciences de l'ingénieur

Mots-clés libres

Torche plasma, Électrode, Modèle à l’ETL et à 2T

Mots-clés

Arc électrique,

Simulation par ordinateur,

Électrodes,

Projection au plasma

La projection plasma est une technologie de dépôt qui utilise un jet de plasma pour accélérer, chauffer, fondre et déposer des particules de poudre sur un substrat et ainsi, élaborer un revêtement. La reproductibilité du procédé dépend en grande part des fluctuations d’enthalpie et de vitesse du jet de plasma et de l’usure des électrodes. Les torches à plasma à anode cascadée permettent une longueur d’arc stabilisée et ainsi d’atteindre le premier objectif. Cependant, leur géométrie ne garantit pas l'absence d'érosion des électrodes. L’étude des processus électromagnétiques et thermiques à l'intérieur de la torche peut aider à contrôler les propriétés du jet de plasma et à réduire l’érosion des électrodes, et en particulier de l’anode. Ce travail porte sur la simulation d’une à plasma commerciale (la torche SinplexPro™ d’Oerlikon Metco) fonctionnant à l’argon sous pression atmosphérique. Il a été mené en deux étapes. La première a consisté à développer un modèle à l’équilibre thermodynamique local (ETL) du comportement dynamique de l’arc dans la torche. La tension d’arc et les pertes thermiques de la torche prédites par ce modèle sont est en bon accord avec celles mesurées pour un faible débit de gaz et un courant électrique élevé. Pour de telles conditions de fonctionnement, le modèle prédit un pied d’arc constricté à l’anode. Le modèle ETL a ensuite été utilisé pour tester deux méthodes pour faire tourner le pied d'arc sur la paroi de l'anode: une injection du gaz en vortex et un champ magnétique externe axial. L'injection du gaz avec un angle de 45° tourbillonnaire s'est avérée plus efficace qu’avec l’angle de 25° actuellement utilisé sur ce type de torche. La seconde étape de ce travail a consisté à développer un modèle à deux températures. Ce modèle considère deux formulations pour l’enthalpie des électrons et celle des espèces lourdes, qui différent par l'attribution de l'énergie d'ionisation à l’une ou l’autre des particules. Le modèle 2T avec les deux formulations prédit un pied d’arc diffus à l’anode et des tensions d’arc en bon accord avec les valeurs expérimentales pour une large plage de courant et de débit de gaz. Le mode diffus du pied d’arc anodique semble confirmé par l’observation d’anodes usées ayant fonctionné dans les mêmes conditions. La formulation de l’équation de l’énergie avec l’énergie d’ionisation assignée aux électrons a un coût de calcul acceptable et présente des résultats plus raisonnables en termes de température des électrons et des espèces lourdes. Cette formulation sera utilisée tive pour le développement ultérieur du modèle et son extension à des gaz diatomiques.