Choix des dépôts et procédés associés

1.3.a. Les substrats

Il est communément admis que le rapport de dureté substrat/dépôt peut jouer sur la résistance mécanique d’un revêtement. A ce titre, nous avons décidé d’utiliser comme substrat l’acier le plus résistant utilisé actuellement chez Eurocopter, à savoir le C1000. Néanmoins, nous rappellerons à titre comparatif les résultats obtenus sur C1600 exposés au chapitre précédent. Les caractéristiques mécaniques des deux aciers inoxydables sont rappelées dans le Tableau 4.

Tableau 4 : Propriétés mécaniques des aciers austénitiques Epaisseur

(mm) ^Dureté (HV) ^R(MPa) ^{m R}(MPa) ^{e 0,2% A} (%) ^N (grains/mm)

Taille des grains ASTM(µm) Module d’Young (MPa) C1000 0,93 360 1150 855 23 ^{52 (T)} _{36 (L)} ^{8-9 (T)} _{7-8 (L)} 172000 C1600 0,9 530 1610 1450 26,2 35 (T) _{15 (L)} ^{7-8 (T)} _{6-7 (L)} 190000 1.3.b. Les revêtements

Notre objectif premier était d’étudier un vaste panel de revêtements pour être en mesure de comparer leurs comportements à l’érosion pluie. A la vue des éléments bibliographiques attenants à l’épaisseur et à la nature des revêtements, nous avons décidé de nous focaliser sur des dépôts PVD magnétron et des dépôts HVOF.

 Les technologies

Les deux technologies de dépôts, HVOF et PVD magnétron, sont bien maîtrisées aujourd’hui et nous ne détaillerons ici que les éléments techniques importants.

Projection thermique hypersonique à jet continu (HVOF)

La projection HVOF est un procédé de projection thermique hypersonique à jet continu dont la température de flamme atteint les 3000°C. Les particules sont projetées dans la flamme à une vitesse de l’ordre de 700 m/s. La flamme HVOF est alimentée par deux gaz à savoir du dioxygène

d’une part, et d’autre part, au choix, du propane, du propylène, du tétrène ou du dihydrogène [40]. Le procédé est généralement appliqué à la projection de métaux et alliages et de carbures (Cr ou W). Les revêtements obtenus sont relativement épais puisqu’à chaque passage de la buse il est possible de déposer de la matière sur une trentaine de microns.

Dépôt phase vapeur par pulvérisation cathodique magnétron

La pulvérisation cathodique magnétron est un procédé de dépôt physique en phase vapeur (PVD Physical Vapour Deposition). Le procédé consiste à générer une décharge électrique luminescente en atmosphère neutre raréfiée. La décharge a lieu entre la cible qui joue le rôle de cathode et la paroi du réacteur qui est relié à la masse. Les ions (Ar+) créés impactent alors une cible polarisée négativement qui joue le rôle de cathode, ce qui pourra entrainer l’éjection d’un atome de matière qui pourra alors atteindre la cible à revêtir (Figure 44). Le dispositif magnétron est une amélioration qui consiste à disposer deux aimants concentriques de polarités inverses derrière la cible de manière à générer des lignes de champs qui concentreront les ions Ar+ ce qui au final permettra de générer un plasma plus dense (Figure 45). L’effet magnétron permet ainsi d’augmenter la vitesse de dépôt et de diminuer la pression de travail ce qui permet de synthétiser des revêtements plus denses [41].

Figure 44 : Schéma de principe de la pulvérisation cathodique

La déposition à l’arc diffère de la pulvérisation cathodique par le mode de production de la vapeur métallique. Dans le cas de la déposition à l’arc, une forte intensité et une basse tension sont appliquées localement pour créer un impact électrique qui génèrera la décharge et la vaporisation métallique. Cette variante, la PVD arc, permet d’obtenir un plasma plus riche en atome métallique et donc des dépôts de meilleur qualité.

Cible Polarisée Négativement

Parois du réacteur reliées à la masse Création d’ions Ar+ dans la

décharge électrique luminescente

Accélération et chocs des ions avec la cible.

Réflexion de l’ion neutralisé et émission électronique secondaire Implantation

de l’ion _{Expulsion d’un atome de la surface} (Pulvérisation) à l’origine de la déposition

Figure 45 : Dispositif magnétron sur cible PVD. Les deux aimants concentriques génèrent des lignes de champs qui concentrent au droit de l’entrefer des aimants [41]

 Le choix technique

Nous rappelons que deux technologies ont été sélectionnées, et ce dans le but d’obtenir et de tester des revêtements semi-épais (30µm<e<300µm) et des revêtements fins (<30µm).

Concernant les dépôts HVOF (semi-épais), nous avons vu que les dépôts de carbures de tungstène avaient bonne réputation. D’un autre côté, nous voulions étudier une référence qui rendrait compte de l’influence structurelle de la technologie. Deux revêtements ont donc été étudiés, à savoir un acier inoxydable austénitique (AISI 316L) ; et un carbure de tungstène (WC) à matrice cobalt-chrome. La matrice CoCr représente 12 at.% du revêtement avec respectivement 10 at.% et 2 at.% pour le Cobalt et le chrome.

Par voie vapeur, un vaste panel de revêtements a été testé. Premièrement, il a été réalisé des revêtements en aciers inoxydables austénitiques (AISI 304) pour servir de référence. Deuxièmement, la bibliographie nous a laissé penser qu’un fort rapport H/E, avec H la dureté et E le module d’Elasticité, pouvait favoriser la résistance à l’érosion. A ce titre, l’étude a donc comporté l’analyse d’une gomme métallique CuZr. Il a ensuite été intégré l’étude d’un revêtement dur en TiCrAlN, et d’un revêtement de la famille des Diamond-Like Carbon (DLC) réputé pour ses excellentes propriétés (dureté, résistance à l’usure, faible coefficient de frottement, etc.) [42]. Ensuite, nous avons testé un nitrure de chrome (CrN) qui a eu la particularité d’avoir été déposé par PVD-arc, revêtement supposé avoir un très bon comportement vis-à-vis de l’érosion [43].

Lorsque cela était possible, l’épaisseur des dépôts a été fixée à 3 µm. A cela ont été ajoutés des dépôts à épaisseur variable dont trois dépôts d’acier inoxydables d’épaisseur croissante (1 µm, 3 µm et 7 µm) qui ont été réalisés par pulvérisation cathodique pour rendre compte de l’influence de l’épaisseur du revêtement.

Le Tableau 5 récapitule les dépôts réalisés et testés dans nos essais. On y trouvera leur référence, la composition, la machine et les paramètres utilisés pour les créer.

Tableau 5 : Revêtements réalisés dans le cadre de cette étude et principaux paramètres de dépôts associés

N° Technologie Matériaux Machine Caractéristiques procédé Epaisseur visée

#1 _Magnétron ^PVD CuZr Balzers

Décapage : 500W et 310V pdt 20 min Cibles : 2A sur Zr ; 1,4 A sur Cu

Temps de dépôt : 1h

3 µm

#2 _Magnétron ^PVD CuZr Balzers

Décapage : 500W et 310V pdt 20 min Cibles : 2A sur Zr ; 1,4 A sur Cu

Temps de dépôt : 6h30

20 µm

#3 _Magnétron ^PVD DLC ^Teercoating_s Confidentiel 1 µm

#4 _Magnétron ^PVD TiCrAlN ^Cemecon _CC800/9 Sous-traité 3 µm

#5a _Magnétron ^PVD AISI304 Alcatel

Décapage : 500W et 310V pdt 20 min Cibles : 1,5A sur 304 25W sur générateur RF

20cc Ar et 20cc N2

Temps de dépôt : 3h

3 µm

#5b _Magnétron ^PVD AISI304 Alcatel

Décapage : 500W et 310V pdt 20 min Cibles : 1,5A sur 304 25W sur générateur RF

20cc Ar et 20cc N2

Temps de dépôt : 10h

10 µm

#6 ^Projection _HVOF WC/CoCr HVOF CDS

Sablage de la surface avant dépôt. Distance

de projection : 260 mm

Poudre : WC avec CoCr alliés (10%Co ; 2%Cr)

200µm ± 50µm

#7 ^Projection _HVOF 316L HVOF CDS

Sablage de la surface avant dépôt. Distance

de projection : 260 mm Poudre : Inox 316L

200µm ± 50µm

#8 PVD-Arc CrN Sous-traité Sous-traité 1 µm

#9 _Magnétron ^PVD AISI304 Alcatel

Paramètres identiques à #5 Sauf : Temps de décapage : 1h

et Temps de dépôt : 1h

1 µm

#10 _Magnétron ^PVD AISI304 Alcatel

Paramètres identiques à #5 Sauf : Temps de décapage : 1h

et Temps de dépôt : 3h

3 µm

#11 _Magnétron ^PVD AISI304 Alcatel

Paramètres identiques à #5 Sauf : Temps de décapage : 1h

et Temps de dépôt : 7h