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1 - PROBLÉMATIQUE GÉNÉRALE DES DÉPÔTS CÉRAMIQUES

2 - TRAITEMENTS DE SURFACE DES SUBSTRATS

  • 2.1 - Décapage, usinage
  • 2.2 - Nettoyage
  • 2.3 - Masquage
  • 2.4 - Préparation finale

3 - DÉPÔTS MINCES DE CÉRAMIQUES

4 - DÉPÔTS ÉPAIS PAR PROJECTION THERMIQUE

5 - COÛTS

6 - CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

Article de référence | Réf : N4801 v1

Dépôts épais par projection thermique
Dépôts céramiques par PVD ou CVD assistées ou par projection plasma

Auteur(s) : Pierre FAUCHAIS

Date de publication : 10 nov. 2013

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RÉSUMÉ

Pour pallier la fragilité, la complexité et le coût des pièces céramiques, l'industrie a développé les dépôts céramiques sur des pièces métalliques d'épaisseur de quelques millimètres à plusieurs mètres. Les dépôts minces (inférieurs à quelques millimètres) sont réalisés soit par vaporisation physique assistée par électrons, ions, plasma, laser, soit par dépôts chimiques en phase vapeur assistés ou non par plasma. Les dépôts épais (de 50 à quelques millimètres) consistent à projeter des particules de quelques dizaines de millimètres par flammes ou plasmas thermiques. Quelques exemples d'applications, liées aux propriétés des dépôts obtenus, sont présentés. Après une brève évaluation des coûts relatifs aux différents dépôts, les perspectives de développement sont discutées.

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Auteur(s)

  • Pierre FAUCHAIS : Professeur émérite Centre européen de la céramique, SPCTS UMR CNRS 7315, université de Limoges

INTRODUCTION

En général un dépôt sur la surface d'une pièce est utilisé pour lui conférer une fonctionnalité particulière qu'elle n'a pas sans celui-ci. Les dépôts céramiques sont utilisés pour donner : une plus grande dureté, des propriétés isolantes tant du point de vue électrique que thermique, une meilleure résistance à l'usure, une résistance chimique supérieure, en particulier à la corrosion, une imperméabilité aux liquides ou aux gaz, un effet décoratif… Naturellement le choix du dépôt et de sa méthode de déposition dépendent de nombreux paramètres tels que : l'épaisseur, le matériau dont est constitué le substrat et ses propriétés, en particulier son coefficient de dilatation, la géométrie de l'aire à couvrir. La fonction que doit remplir le dépôt est également importante dans le choix (par exemple contre l'usure un dépôt épais est de loin préférable à un dépôt mince). Il en va de même des conditions d'utilisation du composant, notamment l'atmosphère et la température de service… tout cela bien entendu en prenant en considération les coûts de déposition par rapport au gain apporté par le dépôt. De plus il est possible, sous certaines conditions, de rendre étanches les dépôts céramiques épais qui ont souvent des porosités ouvertes débouchantes, c'est-à-dire des sortes de canaux traversant toute l'épaisseur du dépôt.

Si les céramiques existent depuis le Paléolithique (≍ 29 000 av. J.-C.), les céramiques techniques se sont développées au XX e siècle. Les dépôts céramiques ne sont apparus qu'au cours de la deuxième moitié du XX e siècle, même si les techniques de dépôts des métaux ont vu le jour à la fin du XIX e pour les dépôts métalliques par PVD (Physical Vapor Deposition) et CVD (Chemical Vapor Deposition). Au début du XX e est apparue la projection flamme et dans les années 1950 les dépôts plasma. Les techniques d'évaporation de PVD et de CVD ainsi que de projection thermique ont vraiment été industrialisées dans les années 1960-1970.

Les dépôts céramiques dont il sera question dans ce qui suit sont soit des dépôts épais (de 50 μm à quelques mm) déposés par projection thermique (plasma ou flamme), soit des dépôts minces (quelques dixièmes à quelques dizaines de μm) obtenus :

  • par vapeur chimique CVD (Chemical Vapor Deposition), éventuellement assistée par plasma (Plasma Enhanced CVD), aussi appelé « PACVD » (Plasma Assisted CVD). Par ces méthodes, des dépôts de plusieurs mm ont été réalisés, mais en routine ils sont limités à 50 μm ;

  • par vapeur physique PVD (dépôt physique en phase vapeur : Physical Vapor Deposition), PVD assisté par un faisceau d'électrons (EB-PVD : Electron Beam PVD), par laser (PLD : Pulsed Laser Deposition). Les dépôts physiques sont en général limités à 5 μm.

Quelle que soit leur application dans les secteurs de l'aéronautique, de l'automobile, de la métallurgie, de la mécanique, de la chimie, de l'électronique et de l'optique…, les matériaux céramiques les plus déposés sont les oxydes, les nitrures, les carbonitrures, et les borures.

Nous présenterons donc successivement les principales propriétés des céramiques les plus utilisées dans les dépôts minces puis dans les dépôts épais avec à chaque fois les techniques de dépôts. Enfin, la préparation des substrats et les différents usages des dépôts et enfin quelques notions de coûts seront discutées.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-n4801


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4. Dépôts épais par projection thermique

4.1 Principe

La projection thermique consiste à fondre des particules injectées sous forme solide ou formées à partir de fils, de cordes, ou de tiges dont l'extrémité est fondue puis atomisée avant de les faire s'écraser d'abord sur le substrat, puis le dépôt en construction [2]. Les particules s'écrasent sous forme de lamelles qui se solidifient en quelques microsecondes ou dizaines de microsecondes suivant leur vitesse d'impact, déterminée en grande partie par le procédé utilisé, et dont l'empilement va former le dépôt. Le contact réel lamelle solidifiée-substrat ou lamelle-lamelle varie avec les conditions de projection. Naturellement les propriétés thermomécaniques des dépôts sont d'autant meilleures que le pourcentage de surfaces en contact est plus élevé. Il est également possible de projeter à très grande vitesse 300-500 m · s–1 des particules partiellement fondues (essentiellement des métaux et des cermets), mais dans un état plastique pour former le dépôt. Ces procédés produisent des dépôts d'épaisseurs comprises entre 50 μm et quelques mm, les dépôts supérieurs à 500-600 μm nécessitent un contrôle très strict de la température du dépôt pendant le tir afin de limiter les contraintes résiduelles. Les dépôts thermiques ne peuvent être réalisés que si les matériaux ont leur point de fusion séparé d'au moins 300 oC de leur point de vaporisation ou de décomposition. Pour les matériaux réagissant avec l'oxygène une atmosphère contrôlée peut être nécessaire (en fonction de la quantité d'oxyde tolérable dans le dépôt) et elle est indispensable avec ceux qui se décomposent facilement (carbures, nitrures, borures).

La projection thermique comporte quatre procédés :

  • projection flamme alimentée par poudre, fil, tige ou corde (vitesses d'impact de quelques dizaines de m · s–1) ;

  • projection poudre flamme haute vitesse où les particules peuvent atteindre 500-700 m · s–1 (HVOF : High Velocity Oxy-fuel Flame, ou HVAF : High Velocity Air-fuel Flame) ;

  • canon à détonation (D-gun) avec déposition discontinue (fréquence de 10 à 100 Hz) où...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) -   Guide to engineered Materials.  -  Advanced Materials & Processes, 12, p. 19-178 (1999).

  • (2) -   Handbook of thermal spray technology.  -  Sections Introduction to applications for thermal spray processing and Selected applications (ed.) DAVIS (J.R.) (pub.) ASM Int. Materials Park, OH, USA (2004).

  • (3) - BUNSHAH (R.F.) -   Handbook of hard coatings : deposition technologies.  -  Properties and Applications, Elsevier Science (2001).

  • (4) - STINTON (D.P.), BESMANN (T.M.), LOWDEN (R.A.), SHELDON (B.W.) -   Vapor deposition, in ceramic and glasses.  -  Engineered Materials Handbook, Pub. ASM Int. Materials PARK, OH, USA, 4, p. 215-222 (1991).

  • (5) - MOVCHAN (B.A.), DEMCHISIN (A.V.) -   Structure and properties of thick vacuum-condensates of nickel, titanium, tungsten, aluminum oxide, and zirconium dioxide,  -  Phys. Met. Metallogr., 28, p. 83-85 (1969).

  • (6) - THORNTON (J.A.) -   High...

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