Etude numérique des phénomènes thermiques contrôlant la solidification d'une lamelle en projection thermique : application à la formation du dépôt

Discipline

Matériaux Céramiques et Traitements de Surface

Classification

Technologie (Sciences appliquées),

Sciences de l'ingénieur

Mots-clés libres

transferts thermiques, modélisation numérique, projection plasma, projection thermique, alumine

Mots-clés

Céramique industrielleMatériaux céramiquesMatériaux céramiques -- Solidification rapide,

Projection au plasmaProjection au plasma -- Thèses et écrits académiques,

ThermocinétiqueThermocinétique -- Thèses et écrits académiques,

AlumineAlumineAlumine -- Propriétés thermiques,

Nucléation - Thèses et écrits académiques

Les propriétés des dépôts réalisés par projection plasma sont essentiellement liées à la structure d'une lamelle individuelle et à la qualité du contact entre les différentes lamelles déjà déposées. Cette structure est, dans une large mesure, contrôlée par le processus de solidification rapide des lamelles constituant le dépôt. Le travail entrepris dans cette thèse, est une étude numérique simple qui traite le transfert thermique d'une lamelle céramique (alumine) liquide, vers un substrat lisse et solide. Le modèle est basé sur la résolution de l'équation de diffusion dans la lamelle et dans le substrat, sur la théorie classique de nucléation hétérogène et sur la cinétique de croissance cristalline. Il repose essentiellement sur l'hypothèse que la solidification d'une lamelle ne commence que lorsque l'étalement est terminé. Il prédit la température de nucléation, la densité des germes et la distribution de leur taille. Les calculs numériques effectués montrent que l'angle de contact formé entre le germe et la surface du substrat est un paramètre clé qui affecte la température de nucléation et la densité des germes. Ces calculs ont été comparés aux résultats expérimentaux d'une lamelle d'alumine déposée sur un substrat d'acier inoxydable et d'alumine, cette comparaison conduit à une évaluation de l'angle de contact réel entre 60 et 80 degré. Le modèle prédit aussi l'effet de l'épaisseur de la lamelle, de la résistance thermique de contact entre la lamelle et le substrat (constante ou variable), de la nature du substrat et de son état de surface (température de préchauffage, oxydation des substrats métalliques) sur la formation des germes, leur distribution de taille et sur la propagation du front de solidification dans la lamelle. Un bon contact thermique entre la lamelle et le substrat, est caractérisé par une résistance de contact de l'ordre de 10-8 à 10-7 m².K/W, qui correspond à une température initiale du substrat supérieure à la température de transition morphologique au-delà de laquelle, la lamelle adopte une forme de disque régulier. Alors qu'un mauvais contact thermique de 10-6 m².K/W correspond à un préchauffage du substrat à une température inférieure à la température de transition morphologique et une forme de lamelle déchiquetée.