Literatura académica sobre el tema "Dépôt zircone yttriée"

Dans l’industrie des semi-conducteurs, les puces électroniques, au cours de leur processus de fabrication, peuvent être revêtues d’un dépôt CVD et/ou PVD, réalisé dans des enceintes en quartz (bell jar). Après utilisation, ces dernières, recouvertes d’un dépôt « polluant », sont nettoyées dans une solution acide. Dans le but d’augmenter la durée de vie de ces enceintes et d’espacer les nettoyages, la société Edwards les protège d’un dépôt rugueux de zircone yttriée réalisé par projection plasma. Cependant, la porosité du dépôt protecteur entraîne une infiltration de la solution chimique de nettoyage jusqu’au quartz. Non seulement, le dépôt « polluant » est décapé, mais aussi le dépôt protecteur en zircone yttriée. L’objectif de cette thèse est de densifier le dépôt de zircone yttriée afin de le rendre imperméable à la solution chimique, permettant sa réutilisation en ne décapant que le dépôt « polluant ». La rugosité du dépôt doit, toutefois, rester élevée. La densification des dépôts va se faire à partir d’une optimisation des paramètres de projection - débit massique, pourcentage d’hydrogène, distance de tir,… - de la distribution granulométrique de la poudre, de la nature du gaz plasmagène (argon ou azote) et donc de la torche utilisée. Cette optimisation des conditions de tir est effectuée via l’étude des propriétés du plasma, telles que l’enthalpie et les fluctuations de tension aux bornes de la torche, et de leurs influences sur le traitement thermique des particules en vol, la formation des lamelles lors de leur écrasement et la construction des dépôts et leurs propriétés (en particulier leur porosité, rugosité et épaisseur)
In semiconductor industry, the electronic chips, during their manufacturing process, can be covered with CVD/PVD coatings, carried out inside bell jars. After use, these quartz chambers, layered with a contaminated coating, are cleaned inside an acid solution. In order to increase their time of life and the time between two cleanings, Edwards society masks the chambers with a rough yttria partially stabilized zirconia coating made by plasma spraying process. However, the chemical cleaning solution reaches the quartz substrate through the coating porosity. So, the protected coating is etched at the same time than the contaminated coating. The aim of this research work is to increase the coating density to make it cleanable, in order to remove only the contaminated layer. Nevertheless, the coating roughness must remain high. The coating densification is obtained by optimising the plasma spray parameters (mass flow rate, hydrogen percentage, stand-off distance…), the powder size distribution, the plasma gas mixture composition (argon or nitrogen) and so the plasma torch design. This optimisation of spray conditions is determined by studying plasma properties, such as its enthalpy and its voltage fluctuations, and their influences on the in-flight particle thermal treatment, the corresponding splat formation and the coating growth and properties (especially their porosity, roughness and thickness)

Le dépôt par électrophorèse, technique éclectique et prometteuse, est bien connue pour permettre la production de films déposés de haute qualité et d'épaisseur contrôlée. Au vu de ces possibilités, la technique EPD a été appliquée avec succès lors de ce présent travail de thèse de doctorat pour produire des couches à base de zircone yttriée orientées vers des applications comme électrolyte solide dans les piles à combustibles. Nous avons testé deux techniques simples, facilement transférables à la production industrielle : La sérigraphie et le dépôt par électrophorèse. Les caractéristiques microstructurales de ces couches se reflètent sur leur comportement électrique. Notamment, les couches électrophorétiques possèdent des valeurs de conductivité plus élevées et proches des valeurs théoriques. Ces valeurs couplées au fait de pouvoir développer des couches d'épaisseur faible contrôlée (de l'ordre de la dizaine de µm), démontrent combien le dépôt par électrophorèse est une réponse valide aux demandes d'amélioration des caractéristiques des couches d'électrolytique.

La projection plasma consiste à faire fondre un matériau dans un jet de plasma et à le projeter à grande vitesse en direction d’un substrat pour y former un revêtement. Ce jet de plasma est généré par une torche à plasma d’arc suite à la formation d’un arc électrique entre deux électrodes. Les torches à plasma dites conventionnelles sont largement utilisées, mais leur design conduit à des instabilités de l’arc électrique et du jet de plasma pouvant affecter le traitement thermocinétique des particules. Des torches à plasma dites segmentées ont alors été développées : grâce à la présence d’un étage supplémentaire entre les deux électrodes, elles sont plus stables et plus puissantes. Cependant, certains aspects du fonctionnement d’une torche segmentée restent peu explorés. L’objectif de ces travaux est d’approfondir l’étude sur le comportement de la torche à plasma segmentée SinplexProTM, de son fonctionnement statique à la dynamique de l’arc électrique, jusqu’à l’étude des caractéristiques des particules en vol et des microstructures des dépôts
Plasma spraying consists in melting a material in a plasma jet and to spray it at high speed towards a substrate to form a coating. The plasma jet is generated by a plasma torch following the formation of an electric arc between two electrodes. Conventional plasma torches are widely used, but their design leads to electric arc and plasma jet instabilities and may affect the thermokinetic treatment of he injected particles. Then, cascaded-anode plasma torches were developed: thanks to the presence of an additional stage between the two electrodes, they are more stable and more powerful. However, some aspects of the operating of a cascaded-anode plasma torch remain unexplored. The aim of this work is to deepen the understanding of the cascaded-anode plasma torch SinplexProTM behavior, from statics operation to the electric arc dynamics, up to the study of in-flight particles characteristics and coatings microstructures

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

Lors d’une projection thermique de zircone partiellement stabilisée de type Nanox (particules micrométrique faites de nanoparticules agglomérées), il est difficile de conserver la nanostructure. Cela ne peut être réalisé que lorsque les plus grosses particules sont fondues en périphérie alors que les plus petites le sont totalement formant un liant entre les parties infondues nanostructurées. C’est pourquoi les temps de résidence des particules projetées, le coefficient de transfert thermique entre le plasma et les particules, les profils de température du plasma et les vitesses d’impact des particules doivent être soigneusement contrôlées pour pouvoir obtenir des dépôts présentant une distribution bimodale de structures nano et micrométriques ainsi qu’une tenue mécanique adéquate. Des projections thermiques ont été effectuées au moyen de torches PT-F4 et Plazjet (tuyères Conique et Step). Les paramètres de fonctionnement ont été optimisés via modélisation du traitement thermique des particules et caractérisation (module de Weibull de la dureté, microscopie électronique et optique) des dépôts. Avec la torche PT-F4, la nanostructure ne représente au mieux que 20 % du volume des dépôts alors que la Plazjet équipée d’une tuyère conique permet d’atteindre 40 % de nanostructure avec une meilleure tenue mécanique
When spraying partially stabilized zirconia micrometric particles made of agglomerated nanoparticles (Nanox), it is difficult to keep the nanostructure. This can be achieved only if the big particles are melted only at their periphery while the small are completely melted to make the “cement” between the unmelted nanostrutured cores. Thus the residence time of the particle, the heat transfer coefficient between plasma and particles, the plasma temperatures and the particle impact velocity have to be carefully controlled to achieve coatings with bimodal distribution of nano and micrometric structures and a sufficient mechanical resistance. Spraying has been performed with PT-F4 and Plazjet (equipped with Conical or Step anode nozzle) torches. The working parameters have been optimized though modelling of the heat treatment of particles and characterization (hardness Weibull modulus and Scanning Electron Microscope or Optical Microscope) of coatings. With the PT-F4 torch the nanostructure represents at the best 20 % of the coating volume while with the Plazjet equipped with the conical nozzle nanostructure can reach 40 % with a better mechanical resistance than that obtained with the PT-F4 with 20 % nanostructure

Le but de ce travail de thèse est la création d'un modèle numérique capable de reproduire le développement des contraintes résiduelles au sein de dépôts de zircone yttriée. Ce modèle s'appuie sur la mesure de la température et de la déflexion de substrats pendant le projection : la zircone est projetée par plasma sur une poutre dont la courbure est continuellement mesurée. La stratégie expérimentale a consisté à collecter les données nécessaires à l'établissement des conditions limites du modèle (flux thermiques issus du plasma, de la cryogénie, paramètres convectifs) et à comparer les profils de contrainte calculés à des profils expérimentaux. Ce modèle est désormais un outil d'estimation des contraintes résiduelles pour les dépôts de zircone yttriée sur un substrat d'acier. Il a de plus démontré une bonne adaptabilité vis à vis de la nature des matériaux considérés
The aim of this thesis work is the development of a model able to reproduce the development of the residual stress within zirconia coatings. This model is based on temperature and deflection measurement of substrates during spraying : the zirconia is plasma spayed on a beam whose curve is continuously measured. The experimental strategy consisted in collecting the data necessary to the establishment of the boundary conditions of the model (plasma heat fluxes, convective parameters) and comparing calculated stress profiles with experimental profiles. This model is now a residual stress estimation mean for zirconia coatings on steel substrate. It moreover showed a good adaptability with the nature of considered materials

La projection plasma de suspension permet d'élaborer des dépôts céramiques épais (20 à 100 μm) à partir de suspensions stables de particules. La microstructure de tels dépôts est singulière et sa porosité est difficile à quantifier à l'aide des techniques traditionnelles. Cependant, la combinaison de la diffusion des rayons X aux très faibles angles (USAXS) et de la pycnomètrie à hélium a permis de caractériser l'architecture poreuse. Les dépôts de zircone yttriée ont été réalisés avec des particules nanométriques (50 et 400 nm), en utilisant une large gamme de paramètres d'élaboration. Les résultats indiquent que la taille moyenne des pores est sub-micrométrique et possède une distribution en taille multimodale. Environ 80% des pores (en nombre) sont inférieurs à 30 nm et les taux de porosité varient entre 10 et 20%. Lors de vieillissements thermiques, la distribution en taille des pores évolue tandis que le volume poreux ne varie pas significativement
Suspension plasma spraying (SPS) allows processing a stabilized suspension of nanometer-sized feedstock particles to form thick (from 20 to 100 μm) deposits. The void content and porous network of such deposits are difficult to quantify using conventional techniques due to their low resolution. The combination of ultra-small-angle X-ray scattering (USAXS) and helium pycnometry allows characterizing the porous architecture. Yttria stabilized zirconia deposits were made of nanometer-sized particles (50 and 400 nm) with several sets of spray operating parameters. Results indicate that voids are nanometer sized, with multimodal size distribution. About 80% of voids (by number) exhibit characteristic dimensions smaller than 30 nm and the cumulative void volume fraction is amongst 10 to 20%. During thermal ageing, the void size distribution evolves toward higher dimensions as a result of sintering of smallest voids but the cumulative void content does not decrease significantly

L’objectif de ce travail de thèse est d’étudier les corrélations entre les caractéristiques microstructurales et physico-chimiques (sous-stoechiométrie en oxygène) de dépôts plasma de zircone yttriée et leurs propriétés optiques (réflectance, transmittance). Six dépôts avec des différences microstructurales significatives ont été élaborés. Une étude préliminaire des caractéristiques des particules en vol a été réalisée afin de sélectionner des conditions de tir adéquates à l’aide de deux outils complémentaires de diagnostic : le DPV2000 et un système de collecte. Ce dernier a été développé pour l’étude, par analyse d’image de coupes micrographiques des particules collectées, de leur état de fusion lors de l’impact sur le substrat. Deux critères ont été retenus : leur degré de sphéricité et les caractéristiques de la porosité interne (taille, fraction volumique). Après caractérisation, les dépôts obtenus présentent des différences sur le plan microstructural (fraction volumique, taille et forme des pores) mais aussi au niveau de leur sous-stoechiométrie à cause de la perte d’oxygène dans la zircone yttriée lors de la projection plasma. Des mesures de transmittance et de réflectance des dépôts ont été réalisées sur une gamme spectrale allant de 0,25 à 20 µm. Pour étudier l’influence de la sous-stoechiométrie, les dépôts plasma ont été recuits à 500 °C sous air en augmentant graduellement le temps de traitement (de 5 minutes à 24 heures) et en suivant l’évolution des propriétés optiques. Le recuit permet de réduire le caractère absorbant de la matrice ce qui conduit à une augmentation de la diffusion volumique de 0. 5 à 5 µm. Après un recuit de 24 heures, aucune variation n’est observée et les effets microstructuraux peuvent alors être étudiés. Deux approches ont alors été mises en place : une approche macroscopique utilisant le modèle de Gouesbet-Maheu et une approche microscopique basée sur la théorie de Mie étendue au cas d’une matrice hôte absorbante. D’après ces approches, les pores submicroniques jouent un rôle-clé au niveau du pic de la diffusion de 0,5 à 1,5 µm tandis que les pores microniques semblent être à l’origine d’une diminution plus lente de la diffusion de 1,5 à 5 µm
The aim of this PhD work is to investigate the correlations between the microstructure and the physico-chemical (oxygen under-stoichiometry) characteristics of Yttria-Stabilized Zirconia (YSZ) plasma-sprayed coatings and their optical properties (reflectance, transmittance). Six coatings with significant microstructural differences have been manufactured. A preliminary investigation of in-flight particle characteristics has been performed to select the spray conditions by using two complementary particle diagnostic tools: the DPV2000 system and a particle collection device. This latter has been designed in order to study, by using a digital analysis method on particles cross section observations, the melting state of particles at their impact onto the substrate. Two criteria have been used: the shape factor and the internal pore features (size and ratio). The resulting microstructures of coatings differ both in the content, size and shape of pores but also in the oxygen under-stoichiometry of YSZ material due to the oxygen loss during the plasma spraying. Both hemispherical transmittance and reflectance spectra of the coatings have been measured over the 0. 25-20 µm wavelength range. The investigation of the under-stoichiometry effects has been performed by annealing as-sprayed coatings in air at 500 °C with increasing times (5 minutes to 24 hours) and exploring, at each step, the variation of optical properties. The annealing results in a decrease in the absorption of the matrix which follows up with an increase of the volume scattering over 0. 5-5 µm. After a 24-hours annealing, no variation is observed and the microstructural effects can be studied. Two approaches have been implemented: a macroscopic one using the Gouesbet-Maheu model and a microscopic one based on the Mie theory in an absorbing host matrix. The submicron-sized pores play a key role in the high level of diffusion over the 0. 5-1. 5 µm range while the slow decrease in scattering over the 1. 5-5 µm range seems to be caused by the micron-sized pores

La projection par plasma de suspension d’hydroxyapatite, d’oxyde de titane et de zircone yttriée permettant d’obtenir des revêtements biocompatibles, des barrières thermiques ou encore des surfaces photo-catalytiques est étudiée. Les revêtements sont projetés à l’aide d’une torche plasma SG-100. La puissance électrique se situe entre 27 et 40 kW et les distances de projection entre 40 et 70 mm, selon le type de matériau projeté. La stabilité de la suspension est déterminée par des mesures de potentiels Zeta. Les propriétés mécaniques des revêtements d’hydroxyapatite après projection et après immersion dans un fluide physiologique sont comparées. Il en résulte que la dureté augmente avec la durée d’immersion. Pour les revêtements de titane, l’essai de rayure a confirmé la bonne adhérence et la bonne cohésion de ce type de revêtement. Nous avons également observé que les revêtements testés montrent de meilleures propriétés photo-catalytiques que les revêtements commerciaux Pilkington Active™ glass. L’étude des revêtements à base d’oxydes de zircone s’est focalisée sur les propriétés mécaniques et le transport thermique. L’indentation instrumentée confirme les très bonnes propriétés mécaniques de ces revêtements, jusque 3.5 GPa pour la dureté et jusque 130 GPa pour le module d’élasticité. Nous avons aussi observé que les valeurs de conductivité thermique des revêtements testés sont plus faibles que celles des revêtements projetés avec des méthodes conventionnelles.En conclusion, les revêtements obtenus par projection plasma présentent des propriétés qui les rendent utilisables dans de nombreuses applications
The basics of thermal spraying were presented. Suspension plasma spraying method was described and also possible applications, as biocompatible coatings, thermal barrier or photo-catalytic surfaces were presented. Instrumented indentation test was characterized. In work hydroxyapatite, titanium dioxide, yttria stabilized zirconia and yttria with ceria stabilized zirconia were used. Set-up of plasma spray installation was presented. The stability of suspension was determined by zeta potential measurements. Coatings were sprayed with plasma torch SG-100. Electric power was in range from 27 to 40 kW and spray distance varying from 40 to 70 mm, depending on type of sprayed material.Mechanical properties of hydroxyapatite coatings as-sprayed, as well as soaked in simulated body fluid were tested. Influence of soaking time on coatings hardness was noted, which increases with increasing time of soaking. In case of titania coatings, mechanical and photo-catalytic properties were estimated. Scratch test confirmed high values of cohesion and adhesion. Tested coatings exhibit better photo-catalytic properties than commercial Pilkington Active™ glass. Investigation of coatings based on zirconium oxide concerned on mechanical and thermal transport properties. Instrumented indentation test confirmed very good mechanical properties, up to 3.5 GPa and up to 130 GPa for hardness and elastic modulus, respectively. Values of thermal conductivity of tested coatings were lower than coatings sprayed with conventional methods. Based on conducted studies was found that suspension plasma sprayed coatings exhibit properties, which made possible its application on different fields of technique