La projection par plasma d'arc de suspension permet d'obtenir des revêtements finement structurés à gradients de propriétés qui répondent aux besoins, par exemple, des applications photocatalytiques, les piles à combustible à oxyde solide ou les revêtements de barrière thermique. Cependant, les torches à plasma, même alimentées par dessources de courant continu régulé, génèrent des jets de plasma fortement fluctuants. Ces instabilités causent des variations importantes dans les transferts thermiques et dynamiques des particules, ce qui diminue la fiabilité et la reproductibilité de la méthode. Par conséquent, des efforts particuliers doivent être faits pour améliorer la projectionpar plasma d'arc de suspension et, ainsi, les propriétés des revêtements. Depuis de nombreuses années, la recherche s'est concentrée sur l'amélioration des transferts de chaleur et de quantité de mouvement entre la matière et le plasma au moyen de la mise au point de nouvelles torches et la réduction des instabilités de l'arc. Cette thèse présenteune nouvelle approche pour la projection par plasma d'arc de suspension. L'étude approfondie des instabilités du plasma sont réalisées ce qui conduit à la production du jet laminaire de plasma pulsé caractérisé par une forte modulation de l'enthalpie spécifique. Ces oscillations régulières de plasma sont associées à l'injection de la suspensionsynchronisée, ce qui est réalisé à l'aide de l'impression à jet d'encre déclenchée par le signal de tension d'arc. Les résultats sont évalués par le système d'imagerie résolue en temps et la spectroscopie d'émission optique résolue en temps. Cette nouvelle méthode offre la possibilité de contrôler les transferts de chaleur et de quantité de mouvemententre les particules et le plasma. / Suspension plasma spraying permits to elaborate finely structured coatings with graded properties which address the needs, for example, in the photocatalytic applications, the solid oxide fuels or the thermal barrier coatings. However, the plasma torches, even powered by dc regulated sources, generate highly fluctuating plasma jets. These instabilities result in large variations in dynamic and heat transfers to particles, what decreases the reproducibility and reliability of the method. Consequently, the special efforts have to be devoted to ameliorate the suspension plasma spraying method and, thus, the properties of the coatings. In recent years, the research has been focused on the improvement of heat and momentum transfers between material and plasma by means of the development of new non-conventional torches and the reduction of arc instabilities. The following dissertation presents a new approach to the suspension plasma spraying. The profound studies of the plasma instabilities are performed, what leads to the production of the pulsed laminar plasma jet characterized by high modulation of the specific enthalpy. These regular plasma oscillations are combined with phased injection of suspension, what is achieved by using the ink-jet printer triggered by the arc voltage signal. The results are evaluated by time-resolved imaging system and the time-resolved emission optical spectroscopy. This new method presents the possibility to control heat and momentum transfers between the particles and the plasma.

La projection hybride combinant la projection plasma et la refusion laser est une solution alternative permettant de diminuer ou même d'éliminer la présence de pores et de fissures au sein d'un dépôt brut de projection. Lors d'un procédé de projection plasma ou de refusion laser, le système substrat/dépôt subissant l'élévation de température,la fusion, la solidification et le refroidissement rapide est ainsi soumis à des gradients de température élevés, un niveau de contraintes élevé, et même un risque de formation de fissures. Il est alors important de pouvoir maîtriserles variations de température et la distribution des contraintes résiduelles au sein même du système. Concernantles travaux effectués dans cette thèse, des modèles thermiques et mécaniques ont été développés à l'aide dulogiciel ANSYS, de sorte à améliorer notre compréhension des comportements thermique et mécanique des revêtements élaborés par projection plasma avec refusion laser.Tout d'abord, la simulation du procédé de projection plasma a été développée afin de prédire les champs transitoires de température, la déformation finale de l'échantillon et les contraintes résiduelles dans des dépôts céramiques (alumine) et métalliques (NiCrBSi). Les contraintes résiduelles résultent de l'équilibre entre contraintes de trempe (toujours en tension) et contraintes thermiques lors du refroidissement final (en compression ou en tension suivant le cas). En raison de la faible limite d'élasticité du dépôt, les contraintes thermiques dominent les contraintes résiduelles dans le cas du dépôt d'alumine. En revanche, les contraintes de trempe dans le dépôt de NiCrBSi sont plus importantes. Par ailleurs, l'augmentation de l'efficacité du système de refroidissement mis en oeuvre permet de diminuer le niveau des contraintes résiduelles dans le dépôt d'alumine. Inversement les contraintes résiduelles au sein du dépôt de NiCrBSi augmentent lorsque le refroidissement en cours de projection est accru. L'analyse thermique permettant de simuler le procédé de refusion laser à posteriori d'un revêtement de NiCrBSi a été effectuée de sorte à évaluer les effets des paramètres du laser sur le champ de température engendré et laforme du bain refondu. Un coefficient d'absorption de 0.5 a été estimé par comparaison de l'épaisseur du bain refondu obtenue par les méthodes numérique et expérimentale. De plus, les morphologies de revêtements refondus ont été caractérisées par méthodes expérimentales. Selon l'analyse mécanique de la refusion laser à posteriori, les contraintes résiduelles sont en tension dans le dépôt refondu, mais en compression vers la zone non-refondue.Concernant le modèle portant sur l'élaboration de couches multiples, permettant de simuler le procédé de refusion laser in-situ, une diminution des contraintes transitoires au sein des couches préalablement élaborées est induite par l'accumulation progressive de chaleur au cours du processus d'élaboration. Après refroidissement final, les contraintes résiduelles suivant la direction de déplacement présentent une amplitude plus importante que suivant les autres directions. De plus, des solutions permettant de diminuer le niveau des contraintes dans le dépôt après refusion ont été recherchées, en faisant notamment varier l'efficacité du système de refroidissement ou le préchauffage du substrat. Il s'avère que l'amplitude des contraintes résiduelles dans le dépôt après refusion est plus sensible à la variation du préchauffage du substrat qu'à la modification de l'efficacité du système de refroidissement. / The hybrid spraying process consisting in plasma spraying and laser remelting is an alternative method to minimize or even eliminate the potential defects within the as-sprayed coatings.During the treatment of plasma spraying or laser remelting, the substrate/coating system undergoing heating, melting, solidification and fast cooling processes is submitted to high temperature gradients, high stress levels and even risks of crack formation. It is therefore important to control the temperature variation and stress level within the substrate/coating system. In this study, thermal and mechanical models established with ANSYS were developed to provide a fundamental understanding of thermal and mechanical behaviors of deposited coatings during plasma spraying and laser remelting processes.3D simulation models were first developed to predict the temperature field, the final deformation of the specimen, and the residual stresses within ceramic (alumina) and metallic (NiCrBSi) coatings. The final residual stresses result from the balance between quenching stresses (tensile) and thermal stresses (compressive or tensile). Due to the low value of the yield stress, the thermal stresses (compressive for that case) dominate the final stress level in the case of the ceramic coating (alumina). On the contrary, the final residual stresses within the NiCrBSi coating are tensile. It is also predicted that an increase of the cooling efficiency induces a lower stress level for the alumina coating, while improving the cooling efficiency slightly increases the residual stresses for the case of the metallic coating (NiCrBSi).Thermal analysis to predict laser post-remelting of a NiCrBSi coating was then carried out to investigate the effects of the laser parameters on the temperature field as well as on the remelted pool shape. An absorption coefficient of 0.5 was estimated by comparison of the remelted pool depths obtained by experimental and numerical methods. In addition, the morphologies of theremelted coating were characterized by experimental methods. According to the mechanical analysis for laser post-remelting of NiCrBSi coatings, the predicted residual stresses were tensile within the remelted coating, whereas those within the non- emelted zone were reversed from tensile before remelting to compressive after laser post-remelting. According to the numerical analysis of in situ laser remelting by a multi-layer model, transient stresses in the former deposited layers were decreased progressively due to the heat accumulation during the following deposition process. For the residual stresses after final cooling, the stress component along the displacement direction presents a higher level in comparison with the transverse andthrough thickness components. Solutions allowing decreasing the stress level within the remelted coating were studied by changing the cooling efficiency and the initial temperature of the substrate. It was noted that the generated residual stress (tensile) was more sensitive to the initial temperature of the substrate, than to the efficiency of the cooling system. In particular, increasing the initial temperature of the substrate could significantly decrease the stress magnitude within the remelted coating, and even reverse the residual stresses within the nonremelted part of the coating to compressive values.

Les procédés de projection thermique permettent de fabriquer des revêtements d’une grande versatilité (métaux, céramiques, polymères ou autres composites), relativement épais (de quelques microns à plusieurs centimètres) avec une vitesse de dépôt relativement importante. Cependant des contraintes existent notamment l’impossibilité d’utiliser des précurseurs à fusion non congruente tels que les nitrures (TiN par exemple) limitant leur application industrielle (aéronautique, énergie, biomédical, etc.). Ce type de revêtement est principalement obtenu par les procédés couches minces. La projection plasma sous très basse pression (VLPPS) ouvre un potentiel pour s’affranchir de cette problématique d’obtenir des revêtements nitrures et présente en plus l’avantage d’avoir des vitesses de dépôt élevées au contraire des procédés couche mince. Pour cela, la phase liquide habituellement créée par l’injection de la poudre dans la source thermique des procédés de projection peut s’élever à l’état de vapeur du fait des conditions de très basse pression. En conséquence, des revêtements denses à microstructure lamellaire, de vapeurs condensées ou mixte sont formés. Mais encore, le matériau à l’état vapeur peut être mis en contact avec un gaz réactif (azote, oxygène, etc.) pour former un composé nitruré, oxydé.Ce travail a consisté à étudier la réalisation de revêtements céramiques oxydes et nitrures par projection plasma sous très basse pression réactive (R-VLPPS) à partir d’une poudre pure de titane. Tout d’abord, le diagnostic du jet plasma sous très basse pression (gaz plasmagène et réactif, précurseur) a été réalisé dans le but de corréler la présence des espèces détectés avec les propriétés des revêtements. Ainsi, des revêtements de nitrure et d’oxyde de titane ont été fabriqués par R-VLPPS. Les paramètres de réalisation des dépôts (distance de projection, méthode d’injection du gaz réactif) ont été analysées. Les caractéristiques mécaniques des compositions obtenues ont été déterminées. Le jet plasma a aussi été testé comme moyen de post traitement pour améliorer la proportion de phases nitrurées ou oxydées. Enfin, le mécanisme de construction des revêtements a été développé à partir des résultats expérimentaux. / Thermal spraying processes allow the manufacturing of high versatility coatings (metals, ceramics, polymers or other composites), relatively thick (from few microns to several centimeters) with a high deposition rate. However, drawbacks exist in particular the impossibility to use non-congruent fusion precursors such as nitrides (TiN for example) limiting their industrial application (aeronautics, energy, biomedical, etc.). This kind of coating is mainly obtained by thin-film processes. Very low-pressure plasma spraying (VLPPS) opens a potential to overcome this problem to obtain nitride/oxide/carbide coatings with high deposition rates unlike thin-film processes. For this purpose, the liquid phase usually generated by the particles injection into the thermal source of the spray jet can rise to the vapor state due to the conditions of the very low pressure. As a result, dense coatings with a lamellar, condensed vapors or a mix of both microstructures are manufactured. Furthermore, a reactive gas (nitrogen, oxygen, etc.) can be injected with the vapors to form oxide, nitride materials.This work consisted in studying the fabrication of oxides and nitrides ceramic coatings by reactive - very low-pressure plasma spraying (R-VLPPS) from a pure powder of titanium. Firstly, the diagnostic of the plasma jet under very low pressure (plasma and reactive gases, precursor) was carried out with the aim of correlating the presence of the detected species with the properties of the coatings. Titanium nitrides and oxides coatings were manufactured by R-VLPPS. The spraying parameters of the deposits (spraying distance, reactive gas injection method) were analyzed. The composition and the mechanical characteristics of the coatings are determined. Moreover, the plasma jet has also been tested as post-treatment process to improve the amount of nitrided or oxidized phases. Finally, the manufacturing mechanism of the coatings was developed from the experimental results.

Les dépôts de YSZ, élaborés par projection plasma, sont des céramiques réfractaires généralement utilisées pour les applications de barrières thermiques (TBC). Sa faible conductivité thermique associée à sa bonne résistance mécanique assure aux TBC de hautes performances et de bons rendements. La structure et la microstructure complexe sont à l'origine de ces propriétés mécaniques, et celles doivent être contrôlées. Tout comme les céramiques denses la YSZ se dégrade en température et sous vapeur d'eau.La dégradation des propriétés mécaniques dans le temps (module d'élasticité et contrainte à rupture)est accélérée par la température. Pour cette étude les propriétés ont été évaluées en flexion 3 points à température ambiante. Les observations structurales et microstructurales ont été réalisées respectivement par DRX et microscopie électronique à balayage au cours du vieillissement. Un model analytique a pu être proposé pour prédire le comportement du matériau dans le temps sous humidité. / Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) coatings, deposited by plasma sprayed process, are refractory ceramics mostly used as the Thermal Barrier Coating (TBC) applications. The low YSZ thermal conductivity associated to the good mechanical resistance ensures a high performances and efficiencies of these TBC. The structure and the complex microstructure are responsible for the mechanical properties and must be controlled. Like brittle ceramic materials, the YSZ is affected by degradation at low temperature due to water vapor. Material ageing results from the progressive degradation of the mechanical properties (such as fracture strength and Young’s modulus), which seem to decrease in time and accelerate depending on temperature. In this study, the mechanical properties have been evaluated by means of three-point bending tests at room temperature. The observations of the structure and the microstructure are respectively investigated by X-ray diffraction and SEM-technique with material ageing. An analytical model is suggested in order to predict the evolution of the properties under humidity atmosphere.

This thesis describes the design, manufacture and characterisation of thick vacuum plasma sprayed tungsten (W) coatings on steel substrates. Fusion is a potentially clean, sustainable, energy source in which nuclear energy is generated via the release of internal energy from nuclei. In order to fuse nuclei the Coulomb barrier must be breached - requiring extreme temperatures or pressures – akin to creating a ‘star in a box’. Tungsten is a promising candidate material for future fusion reactors due to a high sputtering threshold and melting temperature. However, the large coefficient of thermal expansion mismatch with reactor structural steels such as the low activation steel Eurofer’97 is a major manufacturing and in-service problem. A vacuum plasma spraying approach for the manufacture of tungsten and tungsten/steel graded coatings has been developed successfully. The use of graded coatings and highly textured 3D interface surfi-sculpt substrates has been investigated to allow the deposition of thick plasma sprayed tungsten coatings on steel substrates. Finite element models have been developed to understand the residual stresses that develop in W/steel systems and made use of experimental measurements of coating thermal history during manufacture and elastic moduli measured by nano-indentation. For both the graded and surfi-sculpt coating, the models have been used to understand the mechanism of residual stress redistribution and relief in comparison with simple W on steel coatings, particularly by consideration of stored strain energy. In the case of surfi-sculpt W coatings, the patterned substrate gave rise to regular stress concentrating features, and allowed 2mm thick W coatings to be produced reproducibly without delamination. Preliminary through thickness residual stress measurements were compared to model predictions and provided tentative evidence of significant W coating stress relief by regulated coating segmentation.