Thèse de Doctorat 2015-18 (Jean-Baptiste Giouse)

Mécanismes d’adhésion d’un revêtement obtenu par projection plasma : études des propriétés mécaniques et de la microstructure des interfaces

Contexte

Le système de projection par flamme supersonique (HVOF) consiste à déposer des particules liquides ou semi-liquides sur la surface d’un matériau pour en améliorer les propriétés.

Le principal mécanisme d’adhésion est l’ancrage mécanique et préalablement au dépôt, la surface du substrat est grenaillée avec des particules d’alumine, le but étant de rendre la surface du substrat plus rugueuse pour faciliter l’ancrage des particules déposées. Mais cela modifie aussi les propriétés mécaniques ainsi que la microstructure du substrat.

La nanoindentation couplée à des observations en microscopie électronique et en force atomique est utilisée pour sonder à la fois la dureté et la microstructure du substrat. La méthode de cartographie consiste à reconstruire à partir d’un réseau régulier d’indentations une carte de dureté et de module d’Young.

Le revêtement de cette étude est composé de carbures de chrome Cr3C2 (80%) enrobés dans une matrice métallique NiCr (20%). Il est déposé sur un acier inox 17-4PH dont la surface a été grenaillée avec des particules d’alumine.

Résultats

La figure 1 présente la cartographie de dureté superposée à une image de microscopie optique du réseau de nanoindentation. Le réseau est composé de 17*45 indentations et la dureté du substrat évolue de 4700MPa à 110 mm de l’interface jusqu’à 5800MPa à l’interface correspondant à une augmentation de 23%. Le module d’Young quant à lui reste constant avec une valeur moyenne de 220GPa.

La figure 1 montre aussi deux images de microscopie électronique mettant en évidence la microstructure du substrat. L’image du haut a été prise à l’interface et montre une microstructure fine dont la taille de grains est de l’ordre de la dizaine de nanomètres. En revanche, l’image du bas a été prise à 100 mm de l’interface et montre la structure classique en lattes de cet acier martensitique.

Le changement de microstructure associé à une augmentation de dureté est une conséquence directe du grenaillage comme le prouve la figure 2. En effet, la figure 2 présente la même méthodologie appliquée à un substrat dont la surface a été polie préalablement au dépôt du revêtement. On remarque que la dureté est constante et donc que le dépôt en lui-même n’a pas d’impact sur le substrat.

Comme attendu, le grenaillage a un effet non négligeable sur la dureté et la microstructure du substrat. Ce résultat est très important pour comprendre les mécanismes d’adhésion et l’impact du grenaillage sur ceux-ci. En effet, même si le grenaillage favorise l’ancrage mécanique, il peut aussi avoir un effet négatif sur l’adhésion :

  • Tout d’abord en laissant des particules résiduelles à l’interface qui sont des zones privilégiées pour la nucléation de fissures
  • Deuxièmement en créant une zone fragile dans le substrat qui favorise la propagation de ces mêmes fissure
Cartographie de dureté obtenue par nanoindentation consistant à reconstruire à partir d’un réseau régulier d’indentations une carte de dureté et/ou de module d’Young. Le substrat montre un gradient de dureté allant de 4700MPa à 100 de l’interface jusqu’à 5800MPa proche de l’interface. Deux images de microscopie électronique montrent également la microstructure du substrat. Celle du haut a été prise à l’interface et montre une microstructure composée de grains très fins, de l’ordre de quelques dizaines de nanomètres alors que l’image inferieure a été prise à 100um de l’interface et montre la structure classique en lattes de cet acier martensitique.

Figure 1. Cartographie de dureté obtenue par nanoindentation consistant à reconstruire à partir d’un réseau régulier d’indentations une carte de dureté et/ou de module d’Young. Le substrat montre un gradient de dureté allant de 4700MPa à 100 de l’interface jusqu’à 5800MPa proche de l’interface. Deux images de microscopie électronique montrent également la microstructure du substrat. Celle du haut a été prise à l’interface et montre une microstructure composée de grains très fins, de l’ordre de quelques dizaines de nanomètres alors que l’image inferieure a été prise à 100um de l’interface et montre la structure classique en lattes de cet acier martensitique.

Figure 2. Cartographie de dureté effectuée sur un substrat dont la surface a été polie avant le dépôt. La dureté est contant et aucun gradient n'est observé. Le gradient observé sur la figure 1 est donc bien une conséquence directe.

Figure 2. Cartographie de dureté effectuée sur un substrat dont la surface a été polie avant le dépôt. La dureté est contant et aucun gradient n’est observé. Le gradient observé sur la figure 1 est donc bien une conséquence directe.

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