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Article

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

Traitements de surface des substrats
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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ABSTRACT

Ceramic coatings by assisted PVD or CVD or plasma spraying

In order to address the fragility, complexity and cost of ceramic parts, the industry has developed ceramic coatings on metal parts with a thickness ranging from a few millimeters up to several meters. The thin deposits (of less than a few millimeters) are formed either by physical vapor deposition evaporation assisted by electrons, ions, plasma, laser, or by chemical vapor deposition assisted or not by plasma. Thick deposits (from 50 to a few millimeters) are achieved by spraying particles of a few tens of millimeters via flame or thermal plasma. Certain application examples, related to the properties of the deposits obtained, are presented. After having provided a brief assessment of the costs of the various deposits, this article deals with development prospects.

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 XXe siècle. Les dépôts céramiques ne sont apparus qu'au cours de la deuxième moitié du XXe siècle, même si les techniques de dépôts des métaux ont vu le jour à la fin du XIXe pour les dépôts métalliques par PVD (Physical Vapor Deposition) et CVD (Chemical Vapor Deposition). Au début du XXe 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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KEYWORDS

state of the art   |   Thin and thick ceramic coatings

DOI (Digital Object Identifier)

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


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2. Traitements de surface des substrats

Un dépôt, quelle que soit sa qualité, doit adhérer au substrat, ce qui dépend beaucoup de la préparation de ce dernier. Dans leur très grande majorité, les substrats sont métalliques donc oxydés en surface. Les étapes successives sont alors [2] [7] [10] [11] : le nettoyage de la surface, l'optimisation du profil de rugosité, l'enlèvement ou l'adaptation de la couche originelle d'oxyde, par exemple par nitruration.

2.1 Décapage, usinage

Les projections d'abrasifs sous forme de grains s'avèrent les plus efficaces et les plus fiables pour l'élimination des couches oxydées à la surface des pièces, ainsi que de tout autre corps étranger à la surface de l'acier, tels que les anciennes peintures. Les pièces peuvent alors être usinées aux cotes requises. Après, si nécessaire, la rugosité de la surface peut être adaptée par sablage. Pour les dépôts minces le micro-sablage ou le sablage par eau sous pression est souvent utilisé.

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2.2 Nettoyage

Avant tout traitement, les pièces à revêtir doivent être débarrassées de toutes traces d'huile, graisse, etc. par un traitement chimique par voie humide, puis des contaminants spécifiques (organiques par exemple) à l'aide de solvants. Cette dernière étape n'est pas nécessaire pour les dépôts CVD où la température du substrat est suffisamment élevée pour détruire toute pollution organique en surface. Ces traitements sont effectués en bains ultrasoniques, éventuellement chauffés et les pièces après traitement sont rincées à l'eau dé-ionisée puis séchées avec un gaz chaud (air, azote). Les surfaces des matériaux céramiques oxydes peuvent être simplement traitées par chauffage (600-700 oC) dans l'air.

Pour les dépôts thermiques, juste avant le dépôt, un préchauffage rapide de quelques minutes (pour éviter le développement de la couche d'oxyde) autour de 200-300 oC par la torche de projection thermique permet d'éliminer les adsorbats et condensats (essentiellement la vapeur d'eau). En effet, leur vaporisation à l'impact des particules fondues crée des pressions de plusieurs centaines de MPa, diminuant fortement le contact des lamelles sur le substrat...

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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...

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