L?alumine est un matériau très utilisé pour ses propriétés d?isolant électrique et sa grande stabilité chimique. Son<br />utilisation comme revêtement isolant est envisagé pour l?amélioration des sondes géologiques. La souplesse du<br />procédé de projection plasma a permis l?obtention de dépôts présentant une large gamme de porosités aux proportions et morphologies variées. Le dépôt se construit par empilement de gouttelettes en fusion. Celles-ci, en s?étalant et se solidifiant pour former des lamelles, génèrent un réseau de porosité interconnectée, anisotrope et tridimensionnel. Ce dernier est difficile à observer et caractériser. Il comprend les pores globulaires, les fissures inter-lamellaires et les fissures intra-lamellaires. Leur caractérisation microstructurale a été réalisée par analyse d?images de coupes de dépôts. Six d?entre eux, ont été sélectionnés pour mesurer leurs propriétés électriques. Ces microstructures très particulières, riches en défauts, entraînent une dégradation plus ou moins importante des propriétés électriques par rapport à l?alumine massive. Ces mesures ont montré que la porosité, principalement via les fissures intralamellaires, constituait des canaux « perforants » reliant le substrat à la surface du dépôt. Des mesures par spectroscopie d?impédance ont révélé que pour tous les dépôts, lors d?une immersion, le liquide arrivait à<br />atteindre le substrat et à amorcer une réaction de corrosion au fond des pores. Enfin, la méthode appelée<br />« Scanning Electron Microscopy Mirror Effect », consistant à irradier un matériau avec un canon à électrons, a<br />démontré que suivant leur orientation, les fissures constituaient soit des chemins privilégiés, soit des obstacles pour les porteurs de charges au sein du matériau.<br />Cette porosité « perforante » étant due à son haut degré d?interconnexion, une simulation tridimensionnelle de la<br />microstructure et de la porosité a été développée. Elle se fait par empilements successifs de lamelles incorporant<br />de manière aléatoire les pores et les fissures. Pour cela, des lamelles étalées sur des substrats d?alumine polis et<br />préchauffés ont été observées et caractérisées. L?acquisition de leurs volumes par microscopie confocale a<br />permis de les modéliser. Les probabilités de présence des défauts ont été déterminées à partir d?observations de<br />coupes de dépôts. Cette démarche a aboutie à la création d?images 3D du dépôt réel. A partir de ces images,<br />après un maillage approprié, des calculs par éléments finis, ont permis de révéler une anisotropie des propriétés<br />électriques en relation directe avec celle de la microstructure. Cette simulation couplée au calcul par éléments finis semble très prometteuse pour la compréhension des relations microstructure/propriétés des dépôts réalisés par projection plasma.

Les revêtements composites métal/céramique s'imposent aujourd'hui comme une réponse au fort besoin industriel d'amélioration de la fiabilité des pièces sous sollicitations multiples. Le procédé de projection plasma est envisagé pour la réalisation de tels revêtements avec d'excellentes propriétés tribologiques. Du fait de leur mode d'élaboration, la microstructure des revêtements projetés plasma est complexe et les propriétés en dépendant hétérogènes. Afin d'optimiser le comportement tribologique de ces dépôts, l'objectif de cette étude est d'établir des relations entre microstructure et propriétés tribologiques.<br />Utilisant la souplesse du procédé de projection plasma, notamment celui de projection réactive particulièrement développé pour cette étude, des dépôts composites présentant une large gamme de microstructures ont été obtenus. Pour cela, divers paramètres ont été étudiés : la nature des poudres métalliques projetées (alliages de titane ou de cuivre), la nature du renfort céramique (exogène et/ou endogène), le mode de projection (projection plasma réactive, mode RPS et en surpression, mode HPPS ou co-projection) et les conditions de projection propres à chaque procédé. Une caractérisation des dépôts a été menée, jusqu'à une échelle fine. Le niveau de renforcement de ces microstructures composites fines a été, en particulier, étudié par nanoindentation. Pour chaque mode de projection, deux dépôts composites ont été sélectionnés pour étudier leur comportement tribologique à l'aide d'un essai de frottement de type « pion-disque ». Cet essai a montré une sensibilité élevée à la microstructure et a ainsi permis de déterminer le rôle de certaines caractéristiques microstructurales des dépôts composites sur leurs propriétés tribologiques.<br />A partir d'observations métallographiques et d'analyses des faciès d'usure, un mécanisme d'usure commun aux deux types de dépôts, élaborés par co-projection et par projection réactive, a été mis en évidence. L'influence de la microstructure caractéristique de ces dépôts sur leur comportement tribologique a également été examinée.

La projection plasma de suspensions (SPS) est un procédé de revêtement de surface qui consiste à injecter une suspension (particules solides d’environ 1 μm ou moins, dispersées dans une phase liquide) dans un jet de plasma énergétique. Les particules sont chauffées, accélérées en direction d’un substrat, écrasées et soumises à une solidification très rapide (de l’ordre de 106 K.s-1). Couche après couche, un dépôt se forme en surface du substrat et lui apporte de nouvelles propriétés fonctionnelles. Cette variante de la projection plasma conventionnelle permet la fabrication de revêtements avec des épaisseurs plus fines de quelques dizaines de μm et une échelle microstructurale réduite, pouvant conduire à améliorer, par exemple, les performances de dureté ou de conductivité thermique des dépôts. Bien que ce procédé soit étudié depuis le milieu des années 1990 et connaisse un intérêt grandissant, les applications industrielles ne sont pas finalisées et leur développement nécessite d’être poursuivi. En effet, l’injection d’une suspension dans un jet thermique conduit à des phénomènes complexes tels que la fragmentation des gouttes de suspension ou encore l’évaporation de la phase liquide. A ce jour, ces mécanismes ne sont pas parfaitement compris et maîtrisés et méritent d’être étudiés pour comprendre les interactions de ces fines particules avec le plasma. Les travaux décrits dans ce mémoire s’intéressent au cas de la projection SPS de céramiques avec un atomiseur bi-fluide comme système d’injection. Deux matériaux ont été choisis : l’alumine, connue pour sa difficulté à être projetée conventionnellement et dont la formation de phases cristallines particulières constitue une source d’informations sur l’histoire thermique des particules, ainsi que l’yttrine, qui permet de confirmer les tendances observées pour l’alumine. Dans un premier temps, l’optimisation de l’injection de la suspension a été effectuée en travaillant sur deux axes. Le premier axe concerne la formulation des suspensions, qui a conduit à l’obtention, avec différentes phases liquides, de suspensions stables et dispersées, de propriétés parfaitement connues. De telles suspensions assurent une reproductibilité du procédé à ce niveau et limitent le bouchage du système d’injection. Le deuxième axe porte sur la conception mécanique en trois étapes d’un atomiseur pneumatique approprié au procédé SPS. Cette étude a commencé par la caractérisation d’une buse commerciale notamment par des tests d’injection de suspension dans le plasma. Les tests étant peu concluants, l’étude s’est poursuivie par la mise au point d’une nouvelle géométrie d’atomiseur inspirée du modèle commercial. Les essais ont conduit à la réalisation de cordons et de dépôts satisfaisants. Cette étude s’est terminée enfin par l’optimisation de sa géométrie grâce à la mise en évidence de l’influence de plusieurs paramètres-clé sur les caractéristiques du jet atomisé. Dans un second temps, des outils de diagnostic ont été mis en oeuvre pour mesurer la qualité de l’injection. Le jet de suspension a été caractérisé en termes de géométrie et de tailles de gouttes, respectivement par ombroscopie et diffraction laser. L’ombroscopie a été réutilisée pour l’optimisation de l’injection de la suspension dans le plasma en permettant le réglage en temps réel des pressions d’entrée de l’atomiseur. Les propriétés des particules en vol ont ensuite été étudiées grâce à des collectes de particules sur substrat et à la vélocimétrie par images de particules (PIV). Cet outil a apporté des informations complémentaires sur l’injection de la suspension. Enfin, les revêtements obtenus ont été caractérisés en termes de morphologie (MEB), taux de porosité (analyse d’images MEB et USAXS) et de phases cristallines (DRX et EBSD). Le couplage des informations obtenues entre ces différentes techniques a permis de faire ressortir le rôle de la phase liquide et de la charge massique sur la microstructure... / Suspension plasma spray (SPS) is a surface coating process that consists in injecting a suspension (solid particles of about 1 μm or less, dispersed in a liquid phase) in a high-energy plasma flow. Particles are heated, accelerated towards a substrate, flattened and submitted to a rapid solidification (order of 106 K.s-1). Layer after layer, a coating is formed on the substrate surface and brings new functional properties. This variation of the conventional plasma spray process allows the manufacturing of coatings with finer thickness of few tens of μm and a reduced structural scale that can lead to improved coating properties, like hardness or thermal conductivity. Even though this process has been studied since the middle of the 1990’S and known a fast-growing interest, industrial applications are not finalized and their development needs to be pursued. Indeed, the suspension injection in a thermal jet leads to complex phenomena such as suspension droplet fragmentation or liquid phase evaporation. Up to now, these mechanisms are not perfectly understood and controlled and deserve to be further studied to understand interactions between these fine particles and the plasma. This thesis focuses on the SPS process with ceramic suspensions and a twin-fluid nozzle as injection system. Two materials were chosen: alumina, known for its difficulty to be conventionally sprayed and whose crystalline phase formation represents a source of information about particle thermal history, and also yttria, in order to confirm the tendencies observed for alumina. Firstly, the suspension injection was optimized by working on two areas. The first area concerns suspension formulation. This led to obtain, with different liquid phases, stable and dispersed suspensions, whose properties are perfectly known. Such suspensions ensure reproducibility of the process at this level and limit the risk of injection system clogging. The second area is about the three-step mechanical conception of a pneumatic atomizer, adapted to the SPS process. This study began with the characterization of a commercial nozzle, in particular by testing the suspension injection into a plasma flow. Tests being little convincing, the study was carried on with the development of a new atomizer geometry, inspired from the commercial model. Trials drove to the manufacturing of satisfying spray beads and coatings. This study was finally completed with the optimization of this new geometry by highlighting the influence of several key parameters on the atomized jet features. Secondly, diagnostic tools were implemented to qualify the injection. Suspension jet was characterized in terms of geometry and droplet sizes, using respectively shadowgraphy and laser diffraction. Shadowgraphy was used again for optimizing the suspension injection into plasma by allowing the adjustment in real time of inlet atomizer pressures. In-flight particle properties were then studied thanks to particle collection onto a substrate and particle image velocimetry (PIV). This tool also provided additional information on the suspension injection. Finally, the resulting coatings were characterized in terms of morphology (SEM), porosity rate (SEM image analysis and USAXS) and crystalline phases (DRX and EBSD). The cross-checking of the information obtained with all these techniques brought out the role of the suspension liquid phase and of the mass load on the coating microstructure. These works contributed to enhance the knowledge about the SPS process and justified the use of a twin-fluid nozzle to obtain specific microstructures of coatings, whose functional characterizations have still to be done.

L'objectif de cette étude est le développement et la mise au point d'un procédé de projection de poudres de silicium par plasma thermique inductif, afin d'élaborer des couches minces à finalité photovoltaïque. Les particules sont injectées dans l'écoulement où elles sont fondues, purifiées par évaporation partielle puis déposées à l'état liquide sur un substrat de type céramique. Le processus de purification des poudres dans le plasma ainsi que la pureté des dépôts obtenus ont été observés par des analyses chimiques ICP et EDX... L'hydrogénation des couches de silicium a également été analysée par des mesures d'exodiffusion et corrélée avec les différents paramètres du procédé. L'analyse des propriétés du plasma d'argon faiblement hydrogéné en présence des poudres de silicium a été réalisé par spectroscopie d'émission afin de mettre en évidence les espèces excitées présentes dans la décharge et réaliser un diagnostic énergétique de l'écoulement. Les mesures ont montré la présence d'hydrogènes radicalaires hautement excités, à l'origine de le passivation des dépôts de silicium. De plus, la détection de raies d'émissions du silicium et d'impuretés confirme le processus de purification de la poudre par évaporation. Le diagnostic du plasma a montré que la densité et la température électronique étaient maximales au niveau de la zone d'induction. Les propriétés du plasma ont également été déterminées par modélisation numérique. Les profils obtenus permettent d'interpréter les processus de transfert de masse et de chaleur entre le plasma et la particule de silicium en écoulement. Les interactions plasma - particules ont été analysées expérimentalement par des mesures de vitesse et de diamètre par métrologie laser Doppler. Les résultats indiquent que les particules subissent une perte de masse d'environ 12% pour un temps de séjour de 15 ms dans le plasma.

Pour comprendre la structure des dépôts obtenus par projection thermique, il est crucial d'étudier les phénomènes dynamiques et thermiques à l'échelle des particules qui s'écrasent sur le substrat, puis s'étalent et se figent par refroidissement au contact de la cible. En effet les propriétés thermomécaniques des revêtements réalisés par projection thermique sont liées à la qualité du contact entre les lamelles empilées les unes sur les autres. Ce contact dépend de l'impact de la goutte et varie de façon importante en fonction des propriétés physiques de celle-ci (taille, température, vitesse, ...) et de celles du substrat (nature, température, morphologie...). Un grand nombre de phénomènes parasites sont induits lors de l'élaboration de ces revêtements. Ainsi, les dépôts obtenus par projection thermique sont le siège de contraintes mécaniques résiduelles qu'il convient de comprendre de façon qualitative et d'évaluer quantitativement. Les modèles numériques donnent un support pour prédire, interpréter et expliquer les résultats expérimentaux en ce qu'ils permettent d'accéder à des grandeurs difficilement mesurables. <br />Le processus d'écrasement et d'étalement d'une goutte sur une surface solide reste encore un phénomène complexe et mal maîtrisé. Cependant cette étude permet une avancée sensible dans la compréhension de l'étalement par écoulement de la particule liquide et des interactions entre phases solides et liquides d'une part et d'autre part entre gouttes qui s'écrasent simultanément sur la surface solide l'une à côté de l'autre ou bien l'une après l'autre. Elle décrit les méthodes de résolution numérique des équations thermomécaniques d'impact des gouttes liquides (cuivre, zircone, émail) sur des substrats solides et en valide les résultats obtenus par comparaison avec ceux, tant expérimentaux que numériques, obtenus par d'autres auteurs.

Le but de ce travail est de mettre au point une nouvelle technologie de dépôts de matériaux par voie sèche. Pour ce faire, nous avons développé, par une approche théorique et expérimentale, un nouveau procédé qui met en oeuvre la technologie de la projection thermique dans le domaine des basses pressions (inférieures à 10 hPa). Le domaine des basses pressions concerné par cette étude permet de générer de fortes enthalpies au niveau de la source thermique, à pression élevées, et de travailler à faibles pressions au niveau du substrat. Ce qui d'une part évite les contaminations chimiques (oxydation, réactions chimiques,...) dans les matériaux du dépôt et d'autre part réduit le taux de porosité et améliore l'adhérence de la couche ainsi construite. Ainsi, les propriétés physiques des dépôts obtenus s'approchent de celles des dépôts réalisés par le procédé de déposition en phase vapeur sous vide (PVD) en ayant l'avantage d'en accroître la vitesse d'obtention. Pendant ce travail, une approche théorique par des moyens de calcul (FLUENT) a permis d'étudier les conditions d'écoulement du plasma et l'effet de l'injection du matériau. Les résultats ont permis de définir un divergent de géométrie Laval adaptable à une torche classique F4VB de projection thermique sous pression réduite (VLPPS). En parallèle, une enceinte de grand volume adoptée au procédé a été conçue, réalisée et testée au sein du laboratoire. Cette enceinte, constituée d'une chambre mobile et d'une chambre fixe, est équipée d'un robot, de différents systèmes de diagnostics (thermocouples, DPV, spectromètre optique, pyromètre optique, etc.), de systèmes de refroidissement d'un porte substrat. Différents essais de matériaux métalliques ont permis de valider le concept et le procédé. Ensuite l'étude a concerné l'obtention de différents dépôts de matériaux à base de cuivre, à différentes pressions. Pour étudier les différents constituants du matériau issu de la torche, une méthode spécifique a été développée, qui permet de caractériser les phases vapeurs et solides créées de manière séparée et indépendante. Les résultats ont permis de comparer la structure des dépôts obtenus par ce procédé et par le procédé PVD, et de confirmer la possibilité d'obtention de revêtements denses ou colonnaires.

Augmenter la durée de vie des piles à combustible de type SOFC en abaissant leur température de fonctionnement tout en maintenant un prix de fabrication raisonnable est un des enjeux du secteur énergétique. Ces travaux de recherche entrent dans ce cadre par l'utilisation de la projection plasma de suspensions pour fabriquer des couches céramiques ou cermets finement structurées sur support métallique poreux. Dans cet objectif, la compréhension du procédé s'est avérée être une étape indispensable. A cette fin l'utilisation de la Vélocimétrie par Image de Particules spécialement adaptée aux contraintes de la projection plasma a permis une meilleure caractérisation des jets injectés mais aussi une compréhension plus poussée des phénomènes régissant le traitement des particules. Fort de ces informations, les couches composant le cœur de pile ont été élaborées : l'anode et l'électrolyte, constituée respectivement d'un cermet nickel-zircone yttriée et de zircone yttriée et enfin la cathode composée d'un conducteur mixte La2NiO4.

De tous temps, les techniques PVD (Physical Vapor Deposition) et projection (Plasma Spraying) ont été considérées comme très différentes l'une de l'autre : la technique PVD s'exerce sous très basses pressions (de l'ordre de 10-1 mbar) avec des vitesses de dépôt très faibles (qq. µm par heure) et permet d'obtenir des dépôts (qq. µm) très minces et en principe très réguliers alors que la technique de projection thermique s'exerce à pression atmosphérique ou sous vide partiel (qq. dizaines de mbars) avec des vitesses de dépôt importantes (qq. centaines µm par minute) et permet d'obtenir des dépôts épais (qq. centaines de µm) avec cependant des rugosités importantes. Il s'agissait durant ce travail de thèse de contribuer au développement d'un nouveau procédé de projection thermique fonctionnant sous basse pression afin d'obtenir des dépôts issus de condensation de vapeurs ou des dépôts mixtes vapeurs-particules. L'idée est de mettre en évidence l'incidence de certains paramètres opératoires sur les propriétés du jet et d'utiliser ensuite ces résultats pour définir les conditions les meilleures pour la réalisation des dépôts. Deux méthodes de diagnostic ont été retenues pour cette étude : la spectroscopie d'émission et la sonde enthalpique. L'enceinte de projection sous vide a donc été instrumentée d'un spectromètre d'émission (Triax 190, Jobin Yvon) et d'un logiciel d'identifications des raies spectrales acquis. Parallèlement, une modification de la sonde enthalpique (ENT-PLC, Tekna) a été effectuée de manière à permettre des mesures de flux sous basses pressions. Les essais de projection ont été réalisés avec deux torches commerciales de faible puissance développées et couramment employées au laboratoire pour la projection VPS (Vacuum Plasma Spraying). Différents paramètres expérimentaux ont été testés à savoir des paramètres de fonctionnement de la torche plasma (Intensité de courant et Débit de gaz hydrogène) et des paramètres environnementaux (Pression dans l'enceinte de projection et distance de détection). Enfin, ces différentes projections ont été couplées à des réalisations de dépôts métalliques dans un premier temps et céramiques dans un deuxième temps. Il a été montré que, sous certaines conditions de projection, les dépôts présentent des microstructures fines comparables à celles qui existent dans les dépôts PVD.

L'alumine est un matériau réputé pour ses propriétés d'isolation électrique. Elle est utilisée dans les sondes géologiques qui mesurent la résistivité des roches. Le contexte pétrolier incite les sociétés telles que Schlumberger à développer de nouvelles générations de revêtement dont certains en alumine. Ils sont obtenus par le procédé de projection plasma qui génère dans la structure des fissures et des pores interconnectés. Ce réseau caractérise la porosité de la céramique et dégrade plus ou moins les propriétés des revêtements. Ce travail de thèse propose l'étude d'une gamme de revêtements d'alumine réalisés par projection plasma. Il définit le revêtement d'alumine comme un composite présentant deux phases : la matrice céramique et la porosité. Tout d'abord, une analyse bidimensionnelle classique (employant la microscopie électronique à balayage) a été comparée à une analyse tridimensionnelle (employant la microtomographie) pour déterminer la nature, l'orientation et la répartition des phases : -l'analyse 2D de la microstructure des dépôts a permis de différencier les matériaux en fonction de leur méthode d'élaboration. Nous avons élaboré des composites « alumine-défauts » avec différentes densités surfaciques de pores et de fissures. Pour la co-projection, des composites présentant une matrice d'alumineverre ont été élaborés. Un post-traitement par laser à excimère a généré des matériaux possédant des propriétés de surface différentes. Enfin, les techniques d'imprégnation ont produit des composites présentant une matrice d'alumine, une porosité remplie de résine ou de phosphate d'aluminium et une porosité non remplie. -l'analyse par microtomographie synchrotron a permis uniquement de caractériser les pores dans les composites. L'étude a montré leur orientation parallèle à la direction de projection et leur morphologie plutôt filaire dans les revêtements d'alumine. De plus, cette technique a mis en évidence les changements de morphologie et de répartition des pores dans une matrice d'alumine-verre ayant subi des traitements thermiques ou bien dans les surfaces traitées par laser. Toutes ces informations complémentaires ont permis de mettre en place une simulation des propriétés mécaniques et électriques fonction des caractéristiques microstructurales. Les mesures d'impédance en milieu liquide ont défini les microstructures composites par des schémas électriques équivalents. Cette mesure s'est révélée être une méthode expérimentale propre à définir les connexions de la porosité. Elle a permis de comparer les composites. Enfin, à partir des images 2D et 3D, une simulation numérique par éléments finis de microstructures réelles a permis de calculer les propriétés élastiques et diélectriques des composites. Ces simulations ont permis d'établir le lien entre microstructures et propriétés des dépôts. Elles semblent très prometteuses pour établir les conditions d'élaboration des revêtements en fonction des propriétés souhaitées.

Ce travail se compose de deux parties : la première partie traite de la formation de dépôts épais du composé YBa2Cu3O7-x par la technique électrophorétique (EPD) tandis que la seconde décrit la réalisation de dépôts par la technique de projection plasma. Dans le cadre de la méthode EPD, des suspensions aqueuses et non-aqueuses ont été étudiées. Plus particulièrement, des suspensions à base dacétone en présence ou non diode ont été caractérisées de manière approfondie. A laide de ces résultats, un mécanisme de charge des particules a été proposé. La cinétique de dépôt de lYBa2Cu3O7-x par EPD a également été étudiée. Les dépôts formés ont montré des propriétés supraconductrices sur substrat dAg. Une densité de courant critique Jc (77 K, H=0) de lordre de 103 A/cm² a été obtenue. Finalement, une méthode de texturation sous champ magnétique appliquée à lEPD a été explorée. Pour la technique de projection plasma, différents paramètres opératoires ont été étudiés. Par un traitement thermique adéquat du dépôt sur substrat de Ni, la phase supraconductrice a été obtenue.