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Couches céramiques épaisses

Les céramiques ont des propriétés thermiques, mécaniques, chimiques et électriques uniques, mais leur coût de fabrication élevé, leur fragilité, leurs limitations en taille et forme en tant que composés monolithiques limitent beaucoup les applications potentielles. La solution, pour éviter ces inconvénients, est l’utilisation des céramiques en tant que revêtement sur des substrats métalliques.

Le dépôt de fines couches de céramique par les techniques PVD et CVD est largement utilisé pour les revêtements résistant à l’usure et la corrosion. Ces dépôts contiennent du diamant, TiC, TiN, ZrN, Al2O3 etc. Puisque les processus de dépôt agissent au niveau atomique et moléculaire, la structure des couches peut être contrôlée à ce niveau et bien développée ; des structures denses ayant des propriétés similaires aux matériaux monolithiques peuvent être produites. Cependant, l’épaisseur de ces couches ne dépasse généralement pas 10 µm, car des couches plus épaisses contiennent des contraintes mécaniques internes importantes ou souffrent de la même fragilité que les céramiques monolithiques denses.

Différentes applications nécessitent des films céramiques plus épais, par exemple pour accroître la résistance à l’usure et à la corrosion. Une approche, pour éviter les problèmes des couches céramiques plus épaisses mentionnés ci-dessus, est l’utilisation des techniques de projection thermique.

Dans ces techniques de projection, la poudre céramique est introduite dans une flamme ou un plasma à haute température, fondue en gouttelettes qui sont accélérées à haute vitesse et solidifiées sur le substrat formant ainsi une structure lamellaire (figure 1). Différentes propriétés et microstructures du dépôt peuvent être obtenues suivant la technique de projection employée, les propriétés de la poudre et les paramètres de projection. Ces structures lamellaires à bas module permettent de produire des films épais ayant des épaisseurs entre 100 to 1000 m ; des épaisseurs plus importantes pour des applications spécifiques nécessitent un renforcement supplémentaire des couches.


(a)(b)

Figure 1: (a) Coupe transversale verticale d’une couche d’alumine déposée par projection plasma montrant la structure lamellaire, (b) Surface polie parallèle au substrat montrant les canaux de pores et les microfissures dans la lamelle

Un autre problème dans ces couches produites par projection thermique est la porosité ouverte qui existe toujours dans les recouvrements. C’est un des désavantage majeur pour des applications qui nécessitent une grande résistance à la corrosion en milieu aqueux. Des procédés à haute vitesse, tels le canon à détonation ou la projection HVOF, produisent des revêtements à plus faible porosité (1-3%) mais ne sont pas couramment utilisés pour des revêtements céramiques. Les canons à détonation ne sont pas facilement disponibles, ont une faible vitesse de dépôt et demandent des conditions de sécurités appropriées lors de leur utilisation (risques d’explosion et bruit important). Le système HVOF, utilisant la combustion du propane ou du propylène, donne des températures de flamme trop basse pour des applications céramiques avec des composés à haut point de fusion tels l’oxyde de chrome et la zircone.

Les propriétés des couches céramiques épaisses peuvent être améliorées par différent post-traitements comme la fermeture de la porosité et le renforcement et par ajustement des propriétés fonctionnelles de surface. La fermeture de la porosité est généralement effectuée par imprégnation du revêtement par des composés organiques, inorganiques et minéraux. Elle peut aussi être obtenue par dépôt d’une couche dense en surface du revêtement ou par fusion de la surface du revêtement par méthode Laser. De nombreuses recherches ont été effectuées dans le  » Surface Engineering Laboratory  » de l’Université de Tampere en utilisant différents composés organiques ou des composés inorganiques à base de phosphate d’aluminium. La fusion Laser a été testée sur des revêtement en zircone pour des applications de barrières thermiques (TBC).

Des résultats plus détaillés de ces différentes approches seront présentés dans les prochains articles et dans les références annexées.

Des listes de publications récentes sont à votre disposition sur http://www.tut.fi/units/ms/pin/index.htm.

     
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