Science des Procédés Céramiques et de Traitements de Surface (SPCTS)

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Origine et limitation des instabilités du plasma

Dynamique des interactions dans les procédés plasmas.
Application : projection plasma de suspensions


Contacts

Jean-François COUDERT jean-francois.coudert@unilim.fr
Vincent RAT vincent.rat@unilim.fr


Contexte/objectifs

La réalisation de dépôts finement structurés par projection plasma de suspensions de particules submicroniques nécessite de comprendre les mécanismes d’interaction entre le plasma d’arc et la suspension. Ceux-ci dépendent fortement des instabilités de l’arc dans la torche de projection. Il s’agit de comprendre l’influence des paramètres opératoires sur les propriétés de la source plasma, et en particulier, l’origine des instabilités de l’arc électrique dans les torches de projection, dans le but de limiter leurs effets sur les phénomènes de fragmentation et de vaporisation. Des modèles physiques sont élaborés et expérimentalement validés. L’origine des fluctuations de tension d’arc majeures, responsables des instabilités quasi périodiques préjudiciables à la qualité des dépôts, sont dues à des effets de compressibilité du gaz plasmagène qui engendrent une résonance « mécanique » en amont de la zone d’arc, dans la cavité cathodique contenant le gaz froid. La torche se comporte comme un résonateur acoustique de type Helmholtz, où les phénomènes d’élongation-claquage-réamorçage de l’arc électrique dans le canal de tuyère et les effets de pression associés, viennent exciter le résonateur. Ces oscillations sont reprises par le résonateur par un effet de rétroaction positive, ce qui génère des fluctuations quasi périodiques de grande amplitude, de la tension et de la puissance de la torche. La mise en œuvre de techniques de diagnostic adaptées (imagerie résolue en temps synchrone, acoustique) permet de mettre en évidence les mécanismes d’interaction suspensions/plasma. Ces travaux ont abouti à une nouvelle méthode de contrôle des instabilités de l’arc par résonateur acoustique (demande de brevet CNRS déposée en 2009).

 

Imagerie résolue en temps et synchronisée sur la tension d'arc (temps d'ouverture 10 µs)
 
Mise en évidence des modes d'oscillation d'une torche de projection à plasma d'arc
Mise en évidence des modes d'oscillation d'une torche de projection à plasma d'arc
Imagerie résolue en temps et synchronisée sur la tension d’arc
(temps d’ouverture 10 µs)
  Mise en évidence des modes d’oscillation d’une torche de projection à plasma d’arc


Activités

L’activité du laboratoire se concentre sur les points suivants :
  • Dynamique des procédés plasmas et des décharges
  • Projection par plasma d’arc de suspensions
  • Métrologie du procédé
  • Modélisation physiques des phénomènes


Equipements spécifiques

  • Banc de projection plasma de suspensions
  • Métrologie (systèmes d’acquisition sous Labview, mesures de pression et mesures acoustiques, traitement des signaux, imagerie résolue en temps)


Publications sélectionnées

  1. V. RAT, J.F. COUDERT
    Pressure and arc voltage coupling in dc plasma torches : Identification and extraction of oscillation modes
    J. Appl. Phys. sous presse
  1. V. RAT, J.F. COUDERT
    Acoustic stabilization of electric arc instabilities in non-transferred plasma torches
    Appl. Phys. Lett. 96, 2010, 101503

  2. V. RAT, J.F. COUDERT
    Acoustic signature analysis of the interaction between a dc plasma jet and a suspension liquid jet
    J. Phys. D : Appl. Phys. 42, 2009, 195202

  3. J.F. COUDERT, V. RAT
    Influence of configuration and operating conditions on the electric arc instabilities of a plasma spray torch : role of acoustic resonance
    J. Phys. D : Appl. Phys. 41, 2008, 205208

  4. J.F. COUDERT, V. RAT, D. RIGOT
    Influence of Helmholtz oscillations on arc voltage fluctuations in a dc plasma spraying torch
    J. Phys. D : Appl. Phys. 40, 2007, 7357

Mis à jour le 23 février 2010

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