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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

Problématique générale des dépôts céramiques
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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1. Problématique générale des dépôts céramiques

Une céramique est un matériau inorganique, non métallique, généralement sous forme cristalline : oxyde, nitrure, carbure, borure. À ces matériaux on peut ajouter le carbone dur, que certains considèrent comme une céramique. Toutefois, il convient de souligner que les propriétés des céramiques techniques dépendent fortement de la méthode de réalisation, en particulier de sa température et de l'évolution temporelle de celle-ci. Il en va de même des dépôts céramiques dont les propriétés sont fonction du procédé de réalisation choisi, et du contrôle de la température pendant le dépôt.

Les matériaux céramiques fabriqués soit par des moyens conventionnels (frittage par exemple), soit par dépôt ont un comportement fragile (à température ambiante, on peut considérer que leur comportement est élastique jusqu'à la rupture). Ils présentent un module d'élasticité très élevé et des déformations élastiques très restreintes. Ils sont très résistants en compression, mais faibles en tension ou en cisaillement. Ils sont bien moins sensibles à l'érosion chimique que la plupart des autres matériaux soumis à des environnements caustiques ou acides. De plus, ils résistent à des températures élevées, typiquement 1 000 à 1 600 oC, températures limitées pour certains par les phénomènes d'oxydation. Le tableau 1 résume les propriétés relatives métaux-céramiques-polymères.

La réalisation de céramiques sous forme de dépôts présente de nombreux avantages par rapport aux procédés conventionnels. En effet, il est très souvent plus économique d'appliquer sur un substrat relativement moins cher un dépôt ayant les propriétés requises pour l'application envisagée que de fabriquer toute la pièce avec un matériau nettement plus cher. Cela est d'autant plus vrai pour les matériaux céramiques qui sont difficiles à densifier et à usiner. Sous forme de dépôts, les céramiques sont principalement destinées à protéger des pièces métalliques et le problème majeur est l'effet de température tant lors de la réalisation du dépôt que lors des conditions d'utilisation. En effet, le coefficient de dilatation des céramiques est le plus souvent inférieur à...

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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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