Cas des composites à structure lamellaire

Dans le cas des dépôts composites à base de titane, l’influence de la porosité (§ 2.2.1) et de la rugosité de surface des dépôts au cours de l’essai (§ 2.2.2) sur leur comportement tribologique est étudiée à partir des résultats des essais d’usure (chapitre IV, § 2).

2.2.1. Rôle de la porosité sur la résistance à l’usure

Le dépôt composite HPRPS, réalisé en surpression, est le plus résistant à l’usure et le plus poreux (8%). Il présente des pores grossiers de grande dimension (supérieure à 10µm) (Figure V. 14a). Les observations en coupe ont montré que les pores débouchant à la surface étaient remplis de débris d’usure. Certains débris générés lors de l’usure des différentes phases constitutives des dépôts plasma peuvent se retrouver piégés au sein de ces pores (Figure V. 14). Les débris s’accumulent et lorsque le pore est rempli, ils s’agglomèrent à la surface en paquets très denses (Figure V. 14b).

Ce piégeage des débris par les pores peut avoir plusieurs effets sur la résistance à l’usure des dépôts composites [DUB93]. D’une part, l’accumulation des débris d’usure dans les pores peut renforcer la matrice et ainsi augmenter sa tenue mécanique [WAN03]. D’autre part, les débris d’usure piégés dans les pores ne peuvent pas participer à la formation du tribofilm protecteur, ce qui pourrait diminuer la résistance à l’usure des dépôts. Néanmoins, à la longue, l’usure de la matrice autour des pores remplis de débris pourra les libérer et ils pourront s’agglomérer sur la surface pour former un tribofilm. Dans ce cas, les pores se comportent comme un réservoir à débris d’usure, libérant au fur et à mesure des débris qui pourront contribuer à la formation du tribofilm. Cela se rapproche du cas des matériaux poreux utilisés en régime lubrifié où les pores permettent une rétention du lubrifiant et améliore ainsi le comportement tribologique des matériaux [NEL95] [KAR05] [VEL06].

La présence de pores de grande taille peut également favoriser la déformation plastique de la surface sous la pression du pion en alumine. Une rugosité de surface est ainsi créée, permettant une agglomération plus aisée des débris d’usure. La formation et la stabilité du tribofilm formé s’en trouvent ainsi améliorées (Figure V. 6a).

Figure V. 14 : Remplissage des pores par des débris d’usure (a) à faible grandissement et (b) à fort grandissement

2.2.2. Rôle de la rugosité de la surface usée sur le frottement

A la fin de l’essai « pion-disque », que ce soit dans le cas des échantillons bruts de projection ou polis, la topographie de la surface usée est différente (Figure V. 15). Le dépôt HPRPS présente une surface usée plus rugueuse (Figure V. 15b). Le taux de nitrures (phases dures) et le taux de porosité sont plus élevés pour le dépôt HPRPS (chapitre III, § 2.4), entraînant une rugosité de surface assez marquée tout au long de l’essai, contrairement au dépôt RPS. De plus, le dépôt HPRPS montre également un taux de recouvrement de la piste d’usure par le tribofilm discontinu plus élevé que pour le dépôt RPS (Figure V. 16b), ce qui indique une meilleure stabilité du tribofilm. Ces observations permettent d’expliquer l’évolution du coefficient de frottement des dépôts composites observée lors des essais d’usure. A la fin de l’essai d’usure, le coefficient de frottement du dépôt HPRPS (0,7), le moins usé, est supérieur à celui du dépôt RPS (0,5) (Figure V. 17), bien qu’une surface plus étendue du dépôt soit recouverte par le tribofilm, ce qui devrait entraîner la diminution du coefficient de frottement [MON05]. La rugosité de surface a, dans ce cas, une influence prépondérante par rapport à la présence du tribofilm sur le coefficient de frottement.

Cette diminution potentielle du coefficient de frottement due à la présence du tribofilm sur la surface usée est mise en évidence par l’un des comportements en frottement du dépôt HPRPS (Figure V. 17). Une variation du coefficient de frottement est observée au cours de l’essai et peut être expliquée de la façon suivante : la formation d’un tribofilm et sa croissance provoquent une diminution du coefficient de frottement jusqu’à un minimum. La rupture du film de débris intervient lorsqu’il a atteint une épaisseur critique et provoque une rapide augmentation du coefficient de frottement. Ce mécanisme est confirmé par l’absence de variation du coefficient de frottement durant les essais interrompus pour lesquels la formation du tribofilm est rendue difficile par l’enlèvement des débris d’usure des pistes d’usure à chaque arrêt du tribomètre.

L’influence de la présence du tribofilm sur le coefficient de frottement n’est pas vérifiée pour tous les essais d’usure sur le dépôt HPRPS. Cela laisse supposer un taux de recouvrement limite de la piste d’usure par un tribofilm en dessous duquel le coefficient de frottement n’est pas soumis à une variation. La répartition hétérogène des pores au sein du dépôt peut expliquer ce phénomène ; celles-ci tiennent un rôle certain dans la stabilité du tribofilm (§ 2.2.1).

Pour le dépôt RPS, aucune variation du coefficient de frottement n’apparaît sur les courbes de frottement (Figure V. 17), confirmant la faible adhésion du film de débris sur la piste d’usure

4 µm (b) (a) 25 µm Pores Pores remplis

due à un taux de porosité au sein du dépôt et à une rugosité de surface au cours de l’essai faibles.

Figure V. 15 : Topographie de la surface usée des dépôts composites (a) RPS et (b) HPRPS

Figure V. 16 : Recouvrement de la surface usée des dépôts composites par le tribofilm en fin d’essai, (a) RPS et (b) HPRPS

Distance (m)

µ

k_RPS> k_HPRPS

k_RPS> k_HPRPS

Figure V. 17 : Evolution du coefficient de frottement des dépôts composites

2.2.3. Conclusion

La présence de porosité a donc un effet bénéfique sur les mécanismes d’usure des dépôts composite à base de titane obtenu par projection plasma réactive. En effet, l’usure de la matrice pourra être retardée par le piégeage des débris dans les pores qui vont jouer le rôle de

(a) (b) 200 µm 200 µm (a) (b) 200 µm 200 µm Tribofilms Tribofilms

renfort. La reconstitution du tribofilm pourra être assurée par les pores servant de réservoirs à débris et la stabilité du tribofilm sera améliorée par la déformation plastique de la surface. Une rugosité de surface élevée au cours de l’essai d’usure est également gage d’une meilleure stabilité du tribofilm. De plus, elle a une influence prépondérante sur le coefficient de frottement par rapport à la présence du tribofilm, censé améliorer le frottement. Néanmoins, un taux de recouvrement limite de la piste d’usure par un tribofilm est mis en évidence lorsqu’une variation du coefficient de frottement est observée.

L’essai d’usure « pion-disque » se révèle être sensible à la microstructure des dépôts composites étudiés.