Archive

Traitements combinés pour améliorer les propriétés des surfaces

Par Claude Leroux, conseiller de la rédaction | 1 août 2012 | Traitement et matériaux n° 0417

Ce cliché présente une couche de 15 nm d'alumine déposée sur une surface rectifiée d'un substrat en Al 2024, illustrant l'importance des préparations : la mauvaise qualité de la rectification a provoqué des bavures qui se sont repliées créant des écarts d'une profondeur de l'ordre de 40 nm. Cette bavure s'est trouvée durcie par la déformation plastique. Une particule abrasive provenant de la meule de rectification a été également incorporée dans la bavure. La couche d'alumine déposée par PEALD couvre complètement tous ces défauts.
Organisée conjointement par l'A3TS et l'AWT, la 5e conférence européenne s'est tenue, les 22 et 23 mars derniers, sur le thème des traitements combinés pour améliorer les propriétés des surfaces. Découverte des interventions proposées durant ces deux journées.

 

Plus de 100 participants se sont retrouvés au Palais des congrès de Strasbourg pour la 5e conférence européenne organisée conjointement par les associations A3TS (France) et AWT (Allemagne) et relayées par l'IFHTSE. Le sujet choisi « Traitements combinés pour améliorer les propriétés des surfaces » ouvrait un assez large spectre de solutions et d'approches révélées par le programme. Il contribue à mettre en exergue le rôle primordiale de l'extrême surface à un niveau insoupçonné il y encore peu de temps, sur le comportement des matériaux métalliques.

Après une allocution d'introduction par le président A3TS Pierre Bruchet et Robert Wood représentant l'IFHTSE, la conférence plénière intitulée « Combined coating » fut prononcée par le professeur Erich Bergmann, spécialiste reconnu des procédés de revêtements des surfaces par les technologies PVD.

Sa conférence fut consacrée dans la première partie à une étude réalisée dans le cadre du 7e programme de recherche européen, sur l'effet de la qualité nanométrique de la surface sur la tenue à la corrosion de plaquettes en acier 100Cr6 revêtues de couches de 50 nm d'alumine et Ta205 déposées par une technique ALD (atomic layer deposition) ou FCAD (filtered cathodic arc deposition). La préparation avant dépôt est importante car à l'issue de la rectification, les rugosités créées s'accompagnent de bavures et replis dans lesquels s'incrustent des polluants. La présence de la couche de Beilby et d'une couche oxydée est une source possible de défauts d'adhérence et de croissance des couches minces déposées. Différentes solutions de préparation avant dépôt peuvent intervenir, par voie mécanique : par sablage fin, par brossage (brushing) tonnelage, rotofinition, par voie plasma (sous argon, hydrogène, azote). L'efficacité de la préparation est mesurée par des essais au brouillard salin, des contrôles de porosité des revêtements par mesure du potentiel électrochimique par le tracé de la courbe tension-intensité et mesure d'impédance. Le sablage n'a pas d'action significative sur la tenue à la corrosion selon l'importance de la rugosité produite, il augmente la porosité du revêtement. Le polissage par brossage permet d'éliminer la couche de Beilby et les bavures. L'importance du conditionnement préalable de la surface est révélée lors de l'essai au brouillard salin effectué sur des échantillons en acier 100Cr6 revêtus d'une couche d'alumine Ta205 dépassivés préalablement par plasma H2-Ar. Dans le cas d'une préparation par rectification, seule des points de corrosion apparaissent après deux heures, alors que ceux-ci n'apparaissent qu'après quatre heures sur les échantillons préparés par rectification suivi d'un polissage. Ce résultat est en relation avec le taux de porosité du revêtement de couches d'alumine réalisé sur Ta205. Ce taux dépend de la qualité de la préparation de surface qui doit faire en sorte d'éliminer les rugosités et bavures qui seront responsables des soufflures et bulles dans le revêtement. La couche de pollution carbonée et la couche d'oxyde pouvant être présentes en extrême surface doivent également être éliminées. Le polissage est efficace pour éliminer les défauts tels que des bavures sous-microscopiques. Il est nécessaire avant revêtement PVD, il ne l'est pas pour le procédé ALD. L'élimination de la couche carbonée peut être obtenue par brossage ou par un décapage sous plasma d'hydrogène. Les deux méthodes produisent des résultats équivalents mais non cumulatifs. Le décapage ionique ou la dépassivation par plasma d'argon sont inefficaces. L'élimination de la couche d'oxyde peut être obtenue par polissage ou par décapage ionique ou plasma d'Ar. Ils améliorent la qualité des revêtements ALD et est nécessaire pour les revêtements PVD. Le prétraitement par plasma d'hydrogène ne doit pas affecter la couche d'oxyde. Une couche ultrafine (10 nm) en sous-couche obtenue par FCAD est une voie efficace pour éliminer les effets des couches composites dans le cas d'une déposition ALD.

 

Des résultats industriels

Dans la seconde partie, différents résultats industriels sont présentés, ils montrent l'efficacité de la tenue en service d'outillages de mise en forme et/ou découpe, des traitements duplex associant nitruration et revêtements PVD avec une performance accrue lorsque le revêtement est de type multicouche.

En conclusion, l'auteur distingue deux catégories de traitements combinés répondant à deux objectifs : optimisation des opérations entre phases et multifonctionnalité. Dans le cas d'une multifonctionnalité par combinaisons de traitements, les traitements additionnels sont destinés à apporter des fonctions complémentaires avec des synergies possibles. L'optimisation des opérations d'interphases commence par l'observation que les surfaces issues de l'usinage présentent différentes morphologies, structures et compositions différentes du coeur du matériau avec le plus souvent de moins bonnes propriétés mécaniques. L'optimisation des opérations entre phase est un concept qui doit conduire à éliminer toute altération de la surface. Les traitements mécaniques et tout particulièrement les traitements thermochimiques sous plasma sont des outils excellents pour améliorer la résistance de la surface dans les zones qui doivent être revêtues.

 

Plus de conférences

Les conférences qui suivirent peuvent être classées dans les différents domaines suivants :

 

1. L'effet d'un grenaillage de surface sur les propriétés mécaniques superficielles et massives ainsi que sur le processus de réactions thermochimiques.

Les procédés d'affinement du grain par un intense grenaillage superficiel ont un rôle de renforcement mécanique par durcissement des matériaux les plus mous comme les aciers inoxydables austénitiques, par création de contraintes en compression notamment après traitement thermique. Le développement le plus remarquable de ces dernières années est la mise à profit de cette opération pour obtenir une amélioration de l'attrition vis-à-vis des traitements thermochimiques comme la nitruration assistée plasma des aciers austénitiques. Le grenaillage est le plus souvent dans ce cas réalisé par mise en mouvement du projectile par action d'ultrasons.

 

2. Les structurations 3D des surfaces avant, pendant ou après traitement ou revêtement.

On connaissait l'utilisation des macrostructurations des surfaces des pièces métalliques afin d'agir sur la ventilation des surfaces et la circulation des fluides. Ce concept est maintenant développé à une échelle micrométrique voire nanométriques en structurant les surfaces à l'aide de mécanismes localement différenciés lors de nitrurations sous plasma ou encore par laser ou faisceau d'électrons avant ou après un revêtement de type DLC.

 

3. Les faisceaux à haute énergie (laser, faisceau d'électrons) comme moyen de modification de la surface avant ou après un traitement thermochimique avec un éventuel apport de matière pour provoquer un alliage de surface comme sur les alliages d'aluminium pour lesquels des solutions d'amélioration des performances tribologiques sont recherchées.

 

4. Les traitements duplex : nitruration + dépôt(s), cémentation + nitruration, nitrurations + oxydation, traitement ou état métallurgique préalable + nitruration. Ces solutions éprouvées font cependant l'objet de nouveaux développements et études de leurs performances. La réalisation dans un même réacteur de la nitruration sous plasma et du dépôt (tel que le DLC) est une possibilité avantageusement exploitée.

 

5. L'offre dans les domaines des PVD et PECVD. Les principaux acteurs industriels sont venus présenter leurs produits avec leurs performances, chacun d'entre eux avec ses spécialités : Bodycote pour les nitrocarburations postoxydées ; Ionbond pour sa gamme de DLC ; Oerlikon-Balzers pour sa gamme de dépôts PVD multicouches ; Rübig pour son procédé de nitruration plus dépôt PECVD dans le même réacteur ; HEF Techniques Surfaces pour ses revêtements DLC nanostructurés par laser ; Irepa Laser pour ses dépôts associant projection thermique et refusion laser.

Consulter l'intégralité du dossier " Amélioration des propriétés de surfaces : les procédés émergents "

Informations

Newsletter

2 fois par mois, recevez toute l'info de votre secteur : actualités, nouveaux services et produits, événements…

Je m'inscris

Actualités

Dossiers de la rédaction
  • 20 juin 2019
    Ce dossier comprend quatre articles ci-dessous.
  • 24 mai 2019
    Ce dossier comprend trois articles ci-dessous.
  • TREMPE
    7 janvier 2017
    La trempe par induction comme alternative à la cémentation, la trempe gazeuse comme réponse aux exigences environnementales et la drasticité comme indicateur qualité constituent les trois sujets de ce dossier.
  • 29 août 2016
    Ce dossier comprend quatre articles : - Caractérisation des matériaux par méthodes non destructives. - Évolution des CND chez Areva : méthodes alternatives à la radiographie et au ressuage. - Caractérisation de la relation microstructure/état de l’hydrogène. - ...
  • 2 mai 2016
    Ce dossier comprend trois articles : Comment limiter la sensibilité à la fragilisation par l'H en production sans parler ou presque d'hydrogène ? Fragilisation par l'hydrogène des alliages d'aluminium sans Cu de la série 7000. Etude expérimentale de l'impact de l'hydrogène ...