Le substrat utilisé au cours de cette étude est un alliage d’aluminium AA2024-T3 non plaqué et laminé, fourni par la société Rio Tinto Alcan. Les échantillons se présentent sous forme de plaques de dimensions 80 mm x 120 mm x 1mm, dont la composition est indiquée dans le chapitre I. Les échantillons ont ensuite été découpés en 3 éprouvettes pour de nouvelles dimensions (80 mm x 40 mm x 1 mm).
1.5.1. Préparation de surface du substrat
Le substrat arrive dans nos locaux protégé par une couche plastique de sorte à ce qu’il ne subisse pas de corrosion durant son stockage. En pratique, selon leur mode d’élaboration, de transformation et selon leur composition, la surface des alliages d’aluminium est souillée par la présence de graisses, volontairement utilisées pour limiter l’oxydation du matériau, ou d’oxydes divers résultant de toutes les réactions chimiques avec le milieu environnant à tous les stades de la fabrication. Pour améliorer le traitement de surface (oxydation anodique ou dépôts par voie sol-gel), il est nécessaire d’effectuer une préparation de surface au préalable. Cette étape doit éliminer en totalité toute présence de graisses et d’oxydes pré-existants (alumine). De plus, elle permet de réduire le nombre de précipités constitué d’AlCuMg et d’apporter une certaine rugosité de surface.
Les 6 étapes de la préparation de surface qui sont réalisées au laboratoire, juste avant la mise en oeuvre des dépôts, selon un protocole précis optimisé par la société MECAPROTEC, sont présentées ci-dessous :
1- un pré-dégraissage à l’acétone,
2- une immersion de 20 minutes dans un bain de dégraissage alcalin (pH=9), thermostaté à 60°C, composé de tripolyphosphate de sodium (Na5P3O10), de tétraborate de sodium
(Na2B4O7) et d’un tensioactif,
3- un rinçage par aspersion à l’eau déminéralisée pendant 30 secondes,
4- une immersion de 5 minutes dans un bain de décapage acide (pH=0.95) à température ambiante, composé d’hydrogénosulfate de sodium (NaHSO4), de nitrate de sodium
(NaNO3) et de sulfate de fer (III) anhydre (Fe2(SO4)3, nH2O)
5- un rinçage à l’eau distillée pendant 30 secondes,
6- un rinçage à l’éthanol de 30 secondes, suivie d’un séchage à l’air comprimé.
1.5.2. Microstructure de l’alliage d’aluminium AA2024-T3
La Figure II. 1 présente deux micrographies de la microstructure de l’alliage d’aluminium AA2024-T3, obtenues par MEB, en mode électrons secondaires. En (a) la surface après seulement la 1ère étape de pré-dégraissage à l’acétone et en (b) la surface après les 6 étapes. Le substrat révèle, après préparation de surface, une topographie très accidentée, caractéristique des alliages de la série 2XXX.134,135 De nombreuses cavités, de forme arrondie plus ou moins régulière, sont mises en évidence. Ces cavités, distribuées suivant une direction préférentielle correspondant au sens laminage ont une taille qui peut varier entre 5 et 50 µm. Leur présence est due à la dissolution préférentielle ou au déchaussement, durant la préparation de surface, des précipités intermétalliques présents dans la matrice de l’alliage AA2024-T3. La rugosité moyenne de ce substrat a été mesurée par interférométrie optique, la valeur du Ra obtenue est de 0,8 µm.
134
S. Berrada, M. Elboujdaini, et E. Ghali, Journal of Applied Electrochemistry 22, 11, 1992, 1065-1071.
135
Figure II. 1 - Micrographies MEB (x200) de la surface de l’aluminium AA 2024-T3 étudié, après un pré-dégraissage à l’acétone (a) ; après une préparation de surface complète (b)
L’influence de la préparation de surface sur la mouillabilité des substrats par des mesures d’angle de contact d’une goutte d’eau à la surface du substrat a été réalisée afin de valider l’efficacité de la préparation de surface, qui vise notamment à augmenter la mouillabilité de la surface métallique. L’angle de goutte passe de 110° après la première étape à 30° après la préparation complète. Ces résultats témoignent de l’efficacité de la préparation conduisant à l’amélioration du processus de déposition du sol sur le substrat métallique.
1.5.3. Mise en forme des revêtements
Après les 24 h de mûrissement, nous élaborons les revêtements sur des éprouvettes d’alliage d’aluminium AA2024-T3 de 33cm2 ayant subi la préparation de surface (cf. II.1.5.1), par trempage-retrait utilisant un Dip-coater NIMA. L’appareil utilisé se compose d’un bras en translation verticale dont la vitesse est contrôlée par un logiciel. Ce dispositif permet de travailler à des vitesses d’immersion et de retrait contrôlées comprises entre 50 et 530 mm.min-1. Il est également possible d’imposer un temps d’immersion prolongé, afin par exemple de favoriser les réactions chimiques entre l’échantillon et le sol. Les vitesses de retrait seront de 200 mm.min-1 ou de 70 mm.min-1 selon les formulations utilisées et les épaisseurs souhaitées. L’immersion dans les sols a toujours été d’une seconde. Afin de limiter l’évaporation incontrôlée des solvants, ou bien d’éviter toute pollution de la solution, les dépôts sont réalisés par trempage-retrait dans une cuve, placée dans une enceinte fermée (
Figure II. 2 - Dispositif utilisé pour réaliser les dépôts par trempage-retrait
Après retrait, les échantillons sont laissés 10 secondes dans l’enceinte, le temps qu’ils sèchent suffisamment. Enfin, les plaques revêtues sont immédiatement placées dans l’étuve pour initier les étapes de séchage et/ou de traitement thermique. Tous les nouveaux revêtements élaborés au cours de ces travaux seront effectués avec le traitement thermique suivant : 2 h à 50°C et 3 h à 110°C.
1.5.4. Mise en forme des revêtements architecturés bicouches S9 et S10
Le sol alcoolique éthanol/HDTMS est déposé par trempage-retrait sur des revêtements traités thermiquement (S1 ou S5 par exemple). La vitesse de retrait est de 200 mm.min-1 et la durée d’immersion d’une seconde. Le revêtement bicouche (S9) a subit un nouveau séchage de 15 min à 50°C et un traitement thermique de 2 h à 110°C.
Le second système bicouche (S10) a été réalisé, en déposant, par trempage-retrait, sur les revêtements hybrides architecturés, une suspension de nanoparticules de silice commerciale de 20 nm. La vitesse de retrait est de 200 mm.min-1 et la durée d’immersion d’une seconde, ce revêtement/SiO2 est séché 15 min à 50°C avant de subir un nouveau
trempage retrait dans le sol alcoolique éthanol/HDTMS. La vitesse de retrait est de 200 mm.min-1 et la durée d’immersion d’une seconde, le revêtement bicouche subit un dernier séchage de 15 min à 50°C et un traitement thermique de 2 h à 110°C.