Lorsqu'une surface fragile nécessite une roche dure, revêtement métallique collé super-mince, les procédés de fabrication conventionnels échouent. Cependant, Le Cold Gas Dynamic Spray (CGDS) peut faire exactement cela - avec une grande mise en garde. CGDS est extrêmement polyvalent, mais il est également très difficile de prédire les aspects clés de l'ensemble du processus. Maintenant, un modèle 3D basé sur la température du professeur Tien-Chien Jen de l'Université de Johannesburg commence à percer les mystères du processus de croissance du film CGDS dans la zone de dépôt de particules.

Le modèle est le premier à relier les points entre la vitesse d'impact des particules, transformation énergétique, et élévation de température dans la zone d'impact des particules, en trois dimensions.

Le CGDS est déjà largement utilisé pour fabriquer ou réparer des pièces métalliques pour les grands avions de ligne, ainsi que la technologie mobile et l'équipement militaire.

Dans le processus, une buse de Laval pulvérise des particules métalliques de l'ordre du micron sur une courte distance, généralement 25 mm, sur une surface métallique ou polymère. Les particules impactent la surface à des vitesses allant de 300 mètres par seconde à 800 mètres par seconde. Comme cadre de référence, la vitesse du son est de 343 mètres par seconde.

CGDS a la meilleure plage de température de tous les procédés de pulvérisation industrielle utilisés aujourd'hui, et économise de l'énergie, car aucun chauffage n'est ajouté.

Mystère de fabrication

Un mystère commence dans l'usine, toutefois. Si vous avez une particule de cuivre de 5 microns, à quelle vitesse devrait-il arriver à la zone de dépôt sur l'aluminium, si vous n'avez jamais utilisé cette combinaison auparavant ? Ou vous sélectionnez un nouveau métal pour les particules, et un nouveau métal pour la surface :comment commencer à deviner la taille des particules, et à quelle vitesse ils doivent impacter la surface pour vous donner un revêtement bien adhérent ?

Dérange, le revêtement collé CGDS doit venir sans évaporation, cristallisation, contraintes résiduelles ou autres dommages thermiques - certaines des principales raisons pour lesquelles le CGDS est utilisé en premier lieu. Ces questions peuvent avoir d'énormes implications financières pour les machines de fabrication dans l'usine.

La physique n'existe toujours pas

Pourquoi le CGDS lie les particules métalliques à la surface d'un substrat est incompréhensible depuis son invention dans les années 1980 par l'armée, dit Jen, Professeur au Département des sciences de l'ingénierie mécanique de l'Université de Johannesburg.

"En premier, les militaires ont utilisé CGDS pour réparer des pièces de rechange au milieu de nulle part. Ensuite, d'autres industries ont réalisé que vous pouvez également l'utiliser sur des surfaces très fragiles. Vous pouvez créer une nouvelle surface collée de quelques microns d'épaisseur seulement, ou continuez à pulvériser jusqu'à ce que vous ayez un revêtement de 10 mm. Une fois que vous avez rempli les fissures ou les trous, vous pouvez usiner la pièce pour retrouver ses dimensions exactes, car le revêtement collé GDS peut être plus dur que le titane ou le vanadium à partir duquel la pièce est fabriquée."

Le revêtement CGDS peut être aussi dur en raison des contraintes de compression créées lorsque les particules heurtent la surface. Les contraintes augmentent la durée de vie en fatigue du métal, il dit. Ceci est similaire à ce qui se passe dans le grenaillage, un procédé industriel similaire au CGDS, mais en utilisant des « billes » de quelques millimètres de diamètre pour impacter une surface.

"Le CGDS est utilisé pour des fabrications et des réparations très coûteuses, mais il n'y a pas d'exhaustivité, modèle réaliste décrivant la physique de l'ensemble du processus, " dit Jen.

3D avec éclaboussures

Au CGDS, les ingénieurs parlent de deux zones. Le premier est la zone de vol entre la buse de pulvérisation et la surface à pulvériser. Cette zone a été modélisée par Jen dans un article de recherche de 2005 dans le Journal international du transfert de chaleur et de masse .

La deuxième zone est la zone de dépôt, où les articles pulvérisés ont un impact sur la surface. Le nouveau modèle 3D décrit cette zone.

Les modèles bidimensionnels précédents ont tenté de résoudre le casse-tête autour de la liaison CGDS, mais ceux-ci ont une limitation sévère. Lorsque vous étendez un modèle 2D en 3D, vous vous retrouvez avec un «cylindre horizontal» descendant vers la surface à pulvériser.

"Malheureusement, un cylindre descendant ne peut pas modéliser de manière assez réaliste ce qui arrive aux particules discrètes en forme de boule « éclaboussures » dans la surface du substrat, " dit Jen.

Comme l'industrie le sait, la vitesse (vitesse) à laquelle la particule arrive au substrat est critique. Trop lent, et il va juste rebondir. Trop vite, et il peut passer comme une balle à travers un substrat mince.