Issue
Ann. Phys. Fr.
Volume 14, Number 3, 1989
Page(s) 261 - 310
DOI http://dx.doi.org/10.1051/anphys:01989001403026100
Published online 01 June 2004
Ann. Phys. Fr., Vol. 14, N°3 1989, pp. 261-310
DOI: 10.1051/anphys:01989001403026100

La projection par plasma : une revue

P. Fauchais, A. Grimaud, A. Vardelle and M. Vardelle

Laboratoire Céramiques Nouvelles, U.A. 320, Université de Limoges, U.E.R. des Sciences, 123 rue A. Thomas, 87060 Limoges Cedex, France


Abstract
The quality of a plasma sprayed coating depends on numerous parameters that start to be understood due to the recent progresses in modelling and measurement techniques for plasma jets, momentum, heat and mass transfers between plasma and particles, the way the particules splat and cool down upon impact on the substrate or the previously deposited layers. In this paper, first are recalled the used measurement techniques and their limitations both for plasma jets and particles in flight. Then are underlined the importance of the different phenomena envolved in the transfers between plasma and particles such as steep temperature and chemical species density gradients around the particles, heat propagation phenomenon especially for ceramic particles and the connected evaporation effect, rarefaction effect which occurs even at atmospheric pressure. The problems related to the size and injection velocity distributions which determine the trajectory distributions and the heat treatments undergone by the particles are treated. The study of plasma generation shows on one hand for d.c. arc plasma torches the drastic influence on the plasma jets lengths and diameters of the gas injection chamber design, the gas nature, the design of the arc chamber and nozzle, the surrounding atmosphere (especially air pumping which cools down very fast the plasma) and on the other hand for RF plasmas the importance of the particle injection design to avoid the coupling between the RF discharge and the carrier gas with the particles. All these points are illustrated with examples of coatings of alumina, zirconia carbide and nickel particles. The way the particles splat is then studied with the chemical reactions in flight, the fast quenching of the particles and the resulting cristalline structures, the coating adhesion and also the residual stesses and their control through that of the temperature gradients into the coatings during spraying. At last a few actual and potential applications are presented in the fields of aeronautics and mechanics.


Résumé
La qualité d'un dépôt projete par plasma dépend de nombreux paramètres que l'on commence à mieux appréhender du fait des progrès de la modélisation et de la métrologie tant des écoulements plasmas que des transferts plasma-particules ou que des conditions d'écrasement et de refroidissement des particules lors de leur impact sur le substrat ou les couches déjà déposées. Les techniques de mesure utilisdes et leurs limitations sont d'abord rappelées tant pour les jets de plasma que pour les particules en vol et l'importance des différents phénomènes intervenant dans les transferts plasma-particules est soulignée : gradients de température et de concentration d'espèces chimiques très élevés autour des particules, effets de propagation de la chaleur, notamment pour les particules céramiques, effet d'évaporation, effet de raréfaction sensible dès la pression atmosphérique. Les problèmes de distribution de taille et de vitesse d'injection des particules sont également abordés car ils conditionnent les distributions de trajectoires et donc le traitement des particules dans le jet de plasma. La génération du plasma montre d'une part 1'influence considérable de l'injection du gaz, de sa nature, du dessin de la chambre d'arc et de la tuyère ainsi que du pompage de l'air ambiant sur la longueur des jets de plasma d'arc et d'autre part les problèmes d'injection pour éviter le couplage avec la décharge dans les jets de plasmas R.E Tout ceci est illustré avec des exemples de dépôt d'alumine, de zircone, de cermet carbure et de nickel. L'écrasement des particules est ensuite abordé avec les problèmes de réactions chimiques, de trempe ultra-rapide et donc de structure cristalline des dépôts, d'adhdsion mais aussi de containtes résiduelles et de leur contrôle via les gradients de température dans les dépôts pendant le tir. Enfin quelques applications actuelles sont présentées notamment pour l'aéronautique et la mécanique.

PACS
8115 - Methods of thin film deposition.
6855 - Thin film growth, structure, and epitaxy.
0130R - Reviews and tutorial papers: resource letters.
5275 - Plasma devices and applications.

Key words
internal stresses -- plasma arc spraying -- reviews -- plasma sprayed coating -- modelling -- measurement techniques -- plasma jets -- momentum -- heat -- mass transfers -- heat propagation -- ceramic particles -- evaporation effect -- rarefaction effect -- trajectory distributions -- heat treatments -- plasma generation -- DC arc plasma torches -- RF plasmas -- particle injection design -- carbide -- quenching -- coating adhesion -- residual stresses -- applications -- aeronautics -- mechanics -- Al sub 2 O sub 3 -- ZrO sub 2 -- Ni


© EDP Sciences 1989