Partie 2 : Procédé de préparation du carbure cémenté
Chapitre 6 : Technologie des revêtements et des composites
L’alliage dur ( WCCo ) joue un rôle important dans les domaines de l’aérospatiale, de l’exploitation minière, de l’énergie et de l’ingénierie sous-marine en raison de son excellente dureté (HV1500-2500±30), de sa bonne ténacité (K₁c 8-20 MPa·m¹/² ± 0,5) et de son excellente résistance à la compression (>4000 MPa±100 MPa). Cependant, dans des conditions de travail extrêmes, une température élevée (>1000°C±10°C), une forte corrosion (pH<4±0,1) et un impact élevé (>10³Hz ± 100 Hz) imposent des exigences plus élevées en matière de performances de surface, et un seul alliage dur est difficile à satisfaire pleinement aux exigences.
Français La technologie des revêtements et des composites améliore considérablement la résistance à l’usure (taux d’usure < 0,06 mm³/ N·m ± 0,01 mm³/ N·m ), la résistance à la corrosion (taux de corrosion < 0,01 mm/an ± 0,002 mm/ an) et la résistance à la fatigue thermique (durée de vie > 10 ⁵ fois ± 10 ⁴ fois) grâce à la modification de surface (épaisseur du revêtement 10-200 μm ± 1 μm) et à l’optimisation structurelle (couche de gradient, nano WC < 100 nm ± 5 nm) . Ces technologies prolongent non seulement la durée de vie du carbure cémenté, mais élargissent également son domaine d’application, comme les aubes de turbines d’aviation (durée de vie > 5 000 heures ± 500 heures), les trépans de forage minier (> 1 500 m ± 100 m) et les vannes en haute mer (> 5 ans ± 0,5 an).
Ce chapitre aborde les processus clés et les principes techniques sous quatre aspects : la préparation du revêtement en carbure cémenté , Matériaux de revêtement, carbure cémenté à gradient et nanostructuré et tests de performance de revêtement . La préparation du revêtement se concentre sur la technologie de projection thermique (telle que HVOF, APS, projection par détonation) et permet d’obtenir un revêtement de dureté élevée (HV 1200-1500±30) en optimisant les paramètres de projection (vitesse 600-4000 m/s±10 m/s, température 2000-15000 °C±100°C) ; l’optimisation des matériaux couvre les revêtements WCCo , WCNiCr et multiphasés (tels que WCTiCNi), en équilibrant la dureté et la ténacité (K₁c 10-15 MPa·m¹ /² ± 0,5) ; le gradient et la nanostructure améliorent les performances globales (résistance > 4500 MPa±100 MPa) grâce à l’ingénierie des interfaces et au renforcement des nanocristaux ; les tests de performance vérifient la fiabilité du revêtement selon les normes (telles que ASTM G65, ISO 6508). Chaque section combine les détails du processus, les mécanismes scientifiques, les stratégies d’optimisation et les pratiques d’ingénierie pour révéler la valeur fondamentale de la technologie des revêtements et des composites.
Par exemple, le revêtement WC12Co par pulvérisation HVOF (vitesse 700 m/s±10 m/s, épaisseur 100 μm±1 μm) permet aux aubes de turbine d’aviation de maintenir une faible usure (< 0,05 mm³/N·m±0,01 mm³/ N·m ) dans un flux d’air à haute température (1 000 °C±10 °C), avec une durée de vie de plus de 5 000 heures ± 500 heures ; le gradient WCCo (teneur en Co 5 %-15 %±1 %) améliore la résistance aux chocs des forets miniers, avec une profondeur de forage de 1 800 m±100 m ; le revêtement nano WC (grain < 100 nm±5 nm) est utilisé pour les vannes en haute mer, avec une résistance à la corrosion de plus de 5 ans ± 0,5 an. Ce chapitre se connecte de manière transparente au chapitre 5 (moulage et frittage, taille des particules de WC 0,1-10 μm ± 0,01 μm, densité > 99,5 % ± 0,1 %) via des paramètres de processus et des données de performance, jetant les bases des chapitres suivants (application et optimisation).
6.1 Préparation du revêtement en carbure cémenté
Les revêtements en carbure cémenté sont préparés par projection thermique, dépôt physico-chimique en phase vapeur (PVD/CVD) ou placage laser pour déposer des revêtements fonctionnels (épaisseur 10-200 µm ± 1 µm, dureté HV 1200-1500 ± 30) sur des substrats hautes performances (dureté HV 1500-2500 ± 30, rugosité de surface Ra < 0,05 µm ± 0,01 µm). Ces revêtements améliorent significativement la résistance à l’usure (taux d’usure < 0,06 mm³ / N · m ± 0,01 mm³ / N · m ) , la résistance à la corrosion (taux de corrosion < 0,01 mm/an ± 0,002 mm/an) et la résistance à l’oxydation à haute température (gain de poids par oxydation < 0,1 mg/cm² ± 0,02 mg/cm² ) , répondant aux exigences des conditions de travail exigeantes. La technologie de projection thermique est le choix privilégié en raison de sa grande efficacité (taux de dépôt > 90 % ± 2 %), de sa flexibilité (taille du substrat applicable > 100 mm ± 1 mm) et de son économie (coût < 500 $/m² ± 50 $), et est largement utilisée dans les domaines de l’aviation, des mines et de l’énergie.
Cette section détaille les trois principales technologies : la projection d’oxygène combustible à haute vitesse (HVOF), la projection plasma (APS) et la projection par détonation, et analyse leurs principes de procédé, l’optimisation des paramètres et les scénarios d’application. La qualité du revêtement dépend des paramètres de projection (vitesse, température, distance de projection), des caractéristiques de la poudre (granulométrie : 10-50 µm ± 1 µm, fluidité : 12-15 secondes/50 g ± 0,5 seconde) et du prétraitement du substrat (rugosité : Ra : 2-5 µm ± 0,1 µm). Grâce à la mécanique des fluides thermiques (vitesse du jet : 600-4 000 m/s ± 10 m/s) et au mécanisme de liaison des interfaces (force de liaison : 50-80 MPa ± 5 MPa), cette section révèle la technologie de base.
Français Par exemple, le revêtement WC12Co pulvérisé HVOF (porosité < 1 % ± 0,2 %) est utilisé pour les aubes de turbine d’aviation, avec une durée de vie de plus de 5 000 heures ± 500 heures ; le revêtement WCNiCr pulvérisé APS (épaisseur 150 μm ± 1 μm) augmente la durée de vie des trépans miniers à 1 500 m ± 100 m. Ce qui suit est un guide complet pour la préparation de revêtements hautes performances du point de vue des détails du processus, des facteurs d’influence et des pratiques d’ingénierie.
6.1.1 Pulvérisation de combustible à l’oxygène à grande vitesse (HVOF, dureté du revêtement HV 1200-1500)
Aperçu du principe du processus et de la technologie
La projection d’oxygène combustible à haute vitesse (HVOF) est une technologie de projection thermique hautement efficace. Grâce à la combustion d’oxygène et de combustible, un jet à haute température et à grande vitesse est généré pour déposer des matériaux en poudre sur le substrat en carbure cémenté et former un revêtement très dur et résistant à l’usure. Le cœur de la HVOF est le jet supersonique (vitesse 600-800 m/s ± 10 m/s), qui fond partiellement les particules de poudre ( WCCo , granulométrie 10-45 μm ± 1 μm) et impacte le substrat à grande vitesse pour former un revêtement dense (porosité < 1 % ± 0,2 %).
Français Par rapport à la pulvérisation traditionnelle, le HVOF a une température plus basse (2000-3000°C±50°C), évitant efficacement la décomposition du WC (<0,5%±0,1%), et convient à la préparation de revêtements en carbure cémenté haute performance. L’équipement HVOF comprend un pistolet de pulvérisation (puissance>100 kW±10 kW), une chambre de combustion (pression 5-10 bar±0,5 bar) et une buse Laval ( diamètre du col 8-12 mm±0,1 mm). L’oxygène (pureté>99,5%±0,1%, débit 800-1200 L/min±10 L/min) réagit avec le carburant (tel que le kérosène, débit 0,3-0,5 L/min±0,01 L/min) dans la chambre de combustion, libérant une enthalpie élevée (>10 MJ/kg±0,5 MJ/kg).
Le jet est accéléré à une vitesse supersonique par la buse Laval, propulsant la poudre contre le substrat (rugosité Ra 2-5 μm ± 0,1 μm), formant des particules plates (diamètre 50-100 μm ± 5 μm), assurant une résistance à l’adhérence de 50-80 MPa ± 5 MPa. Ce procédé permet d’obtenir une dureté du revêtement HV de 1200-1500 ± 30, largement utilisée dans l’aéronautique, l’exploitation minière et d’autres secteurs.
Paramètres du processus et mécanisme de dépôt
La formation du revêtement HVOF implique quatre étapes : la combustion, l’accélération des particules, la fusion et le dépôt :
Étape de combustion
L’oxygène réagit avec le carburant pour générer un jet à haute température (3 000 °C ± 50 °C). Cette température est inférieure au point de décomposition du WC (~ 3 500 °C ± 50 °C), ce qui réduit les pertes de carbure (< 0,5 % ± 0,1 %). L’enthalpie thermique (> 10 MJ/kg ± 0,5 MJ/kg) assure un chauffage complet des particules.
Accélération des particules
La poudre est accélérée dans le jet (vitesse 700 m/s±10 m/s, temps de séjour <1 ms±0,1 ms ) , la surface fond (taux de fusion 70%-90%±2%), le noyau reste solide (<50%±5% fondu) et les grains de WC (0,5-2μm±0,01μm) sont retenus.
Fusion et impact des particules
Les particules semi-fondues impactent le substrat pour former des projections plates, et l’enclenchement mécanique et la diffusion de traces (profondeur <1 μm ± 0,1 μm) forment une force de liaison élevée (> 60 MPa ± 5 MPa).
Solidification du revêtement
Un refroidissement rapide (vitesse > 10 ⁶ K/s ± 10 ⁵ K/s) produit un revêtement dense (porosité < 1 % ± 0,2 %) avec une dureté de HV 1400 ± 30.
Français La dynamique du jet suit le principe de Bernoulli (vitesse ~√(2ΔP/ρ), ρ~1 kg/m³ ± 0,1 kg/m³ ) , et la conductivité thermique est de 10 ⁴ W/m² · K±10³ W/m² · K. L’optimisation de la distance de pulvérisation (250 mm±5 mm) et du débit d’oxygène (1000 L/min±10 L/min) peut réduire la porosité à <0,8%±0,1%. Par exemple, le revêtement WC12Co pulvérisé HVOF (vitesse 700 m/s±10 m/s, épaisseur 100μm±1μm) a une dureté de HV 1400±30 et une porosité de <0,8%±0,1%, ce qui répond aux exigences élevées de résistance à l’usure des aubes de turbine d’aviation.
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