LE COMPORTEMENT TRIBOLOGIQUE DE DEPÔTS COMPOSITES PROJETES PLASMA

Généralités sur les matériaux composites

   Un composite se présente sous la forme d’un assemblage intime d’au moins deux corps non totalement miscibles avec des structures différentes dont les caractéristiques individuelles secombinent pour donner un matériau hétérogène avec des propriétés globales améliorées. Les composites se composent d’un renfort (sous forme de particule ou de fibre) qui représente l’armature du matériau, enrobé dans une matrice (organique, métallique ou céramique) donnant au composite sa cohésion et sa forme finales. Un composite à matrice métallique est ainsi constitué d’une matrice métallique et d’un renfort métallique ou céramique. Dans le cadre de cette étude, seuls les composites à matrice métallique renforcée par une céramique (à l’exclusion des renforts fibreux) seront considérés. Ces composites offrent une combinaison unique de propriétés qui permet leur emploi dans des domaines très variés. En particulier, ils présentent une excellente résistance à l’usure grâce à la présence de particules de renfort dures et une faible densité [MAS96]. De plus, selon la morphologie et la répartition et proportion des particules, il est possible de faire varier les propriétés de ces matériaux [MAS96]. Celles-ci dépendent donc fortement de la microstructure des composites et par conséquent de leur mode d’élaboration [SYE04]. Les particules céramiques constituant le renfort les plus couramment employées sont le carbure de silicium (SiC) et l’alumine (Al2O3). Cependant, d’autres types de renforcements ont été étudiés comme le carbure de bore (B4C), le carbure de tungstène (WC), le carbure de titane (TiC), le diborure de titane (TiB2), la zircone (ZrO2) ou le graphite [MIS03]. Les alliages utilisés pour l’élaboration des matériaux composites métal-céramique sont nombreux mais ceux qui ont été les plus étudiés ces dernières décennies sont les alliages d’aluminium. Les composites à base d’aluminium renforcés par une céramique possèdent, en plus d’une faible densité, d’excellentes propriétés mécaniques, notamment à haute température et une bonne résistance à l’usure. Ils sont notamment employés dans les secteurs de l’automobile et de l’aéronautique, en tant que matériaux résistant à l’usure et au frottement [SHO06] [DURA07] [UYY07]. Les alliages de titane constituent un autre type de matériaux légers très utilisés dans l’industrie de l’aéronautique du fait de leurs excellentes propriétés mécaniques associées à une faible densité et de leur bonne résistance à la corrosion. Depuis quelques années, leur domaine d’emploi s’est élargi, notamment grâce au développement de matériaux composites à base de titane renforcés par une céramique pour des applications anti-usure (engrenage, palier, …) [ALM99] [KIM*02]. En effet, le renforcement d’un alliage de titane par des particules permet d’augmenter fortement sa résistance à l’usure, reconnue pour être médiocre sans renforcement. Ces composites sont également développés sous forme de matériaux à gradient de fonction par fusion laser sous atmosphère d’azote [MAN06] et présentent de bonnes propriétés tribologiques grâce à la présence de TiN. Les composites à base de cuivre et de ses alliages sont aussi très étudiés car ce sont des matériaux prometteurs pour des applications où des conductivités électriques et thermiquesélevées associées à une bonne résistance à l’usure sont requises. Ils sont en particulier développés pour des applications de contacts électriques où des phénomènes de frottement peuvent avoir lieu [TU03] [ZHA04] [DESHP06].

Principe de la projection plasma

   Le principe de la projection par plasma d’arc soufflé consiste en l’utilisation d’une torche plasma comme source de chaleur pour fondre et accélérer une poudre du matériau qui doit revêtir le substrat préalablement préparé. Cette poudre est véhiculée jusqu’au plasma à l’aide d’un gaz porteur. Un arc électrique de forte intensité (plusieurs centaines d’ampères), généré entre les deux électrodes de la torche refroidies par une circulation d’eau, permet d’ioniser partiellement un mélange gazeux à base d’argon, d’hydrogène, d’hélium et/ou d’azote [HER88]. Le milieu ainsi créé est électriquement neutre et constitué d’un mélange de molécules, ions, atomes et électrons appelé plasma thermique (Figure I. 3). Parmi toutes les sources de chaleur utilisées dans les divers types de projection thermique, ce plasma, dit « thermique », permet de fondre la plus grande variété de matériaux (polymères, métaux, céramiques) [FAU04].

Oxydation des particules en vol

   Comme cela a été abordé précédemment (§ 1.3.3.1), un phénomène d’entraînement de l’atmosphère ambiante a lieu dans le plasma. En APS, l’air atmosphérique est pompé par leplasma en sortie de tuyère et diffuse jusqu’à son cœur. Les particules injectées dans le plasma sont à l’état fondu ou proche de cet état. Des interactions gaz-liquide entre ces particules et l’oxygène de l’air pompé associé aux hautes températures rencontrées dans le plasma peuvent ainsi survenir. Une couche d’oxyde est alors formée à la surface de la particule à l’état fondue du fait de réactions chimiques entre la surface de la gouttelette et l’oxygène et par diffusion de l’oxygène au sein de la particule [DESH06]. Néanmoins, les différentes études citées précédemment sur la réactivité en projection plasma ont montré que la diffusion ne pouvait pas être seuleresponsable de l’oxydation des particules en vol. En effet, des taux d’oxydation bien plus élevés que ceux attendus pour un phénomène de diffusion ont été observés. Il a été alors proposé que dans le cœur du plasma, le ratio des viscosités cinématiques du plasma et de la particule, ainsi que le nombre de Reynolds des particules peuvent atteindre respectivement des valeurs supérieures à 50 et à 20. Sous ces conditions, la vitesse de la surface de la particule est supérieure à la vitesse moyenne de la particule, ce qui induit des circulations internes dans la gouttelette nommées mouvements convectifs [SYE06]. La couche d’oxyde formée  à la surface de la particule liquide et l’oxygène absorbé à la surface sont alors entraînés vers le cœur de la particule par convection. Le renouvellement permanent de la surface de métal liquide, du fait de l’entraînement d’oxydes au sein de la gouttelette, augmente la réactivité des particules. Ce phénomène de convection est le mécanisme dominant lorsque la particule est dans le cœur du plasma. Quand la particule entre dans le panache du plasma, en aval du cœur, la vitesse du plasma commence à décroître progressivement du fait de son expansion, engendrant une diminution graduelle du mouvement convectif au sein de la particule. L’oxydation est alors régie par le phénomène classique de diffusion [DEN03] [SYE06]. En outre, la température de la particule décroît également en s’éloignant du cœur du plasma. Une couche d’oxyde se forme alors à la surface de la particule et les oxydes entraînés au sein de la particule par convection commencent à se solidifier [DESH06].

L’accommodation de vitesse

   Le modèle proposé par Y. Berthier [BER90] considère que l’étude du frottement et de l’usure passe par l’identification des mécanismes d’accommodation de vitesse activés dans le contact ou aux interfaces. Il émet l’hypothèse de l’existence de plusieurs sites (Si) où peut s’effectuer l’accommodation de vitesse (Figure I. 9). Ces sites sont au nombre de cinq : les deux premiers corps (sites S1 et S5), le troisième corps (site S3) et les interfaces ou écrans entre les premiers corps et le troisième corps constitués de couches de pollution, de molécules adsorbées, … (sites S2 et S4). Chaque site est susceptible d’accommoder les vitesses selon quatre modes différents (Mj) : M1 correspond à l’accommodation de vitesse par déformation élastique, M2 par fissuration ou rupture normale, M3 par cisaillement longitudinal et M4 par roulement (Figure I. 9). Les différentes combinaisons SiMj constituent ainsi les vingt mécanismes d’accommodation de vitesse qui peuvent exister dans un contact. Dans la vie d’un contact soumis à un frottement sec, ces différents mécanismes d’accommodation de vitesse peuvent coexister ou se succéder avec une hiérarchie propre au tribosystème étudié. L’identification des mécanismes d’accommodation de vitesse mis en jeu au sein du contact permet de relier les variations du frottement aux phénomènes physiques dans le contact.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : ELEMENTS BIBLIOGRAPHIQUES
1. Revêtements composites projetés
1.1. Généralités sur les matériaux composites
1.2. Revêtements composites projetés
1.2.1. Applications et composition de dépôts composites projetés
1.2.2. Elaboration par projection plasma
1.3. Projection thermique
1.3.1. Principe de la projection plasma
1.3.2. Modes de projection plasma
1.3.3. Traitement des particules dans le plasma
1.3.4. Construction d’un dépôt projeté plasma
1.3.5. Réactivité chimique en projection plasma
2. Tribologie des revêtements composites projetés plasma
2.1. Eléments de tribologie
2.1.1. Système tribologique
2.1.2. Concept du troisième corps
2.1.3. Mécanismes de dégradation de surface
2.2. Comportement tribologique des revêtements composites
2.2.1. Cas des composites à base d’alliage de titane
2.2.2. Cas des composites à base d’alliage de cuivre
2.2.3. Influence des paramètres microstructuraux sur le comportement tribologique
3. Conclusion
CHAPITRE II : MATERIAUX ET TECHNIQUES EXPERIMENTALES
1. Matériaux
1.1. Poudres
1.1.1. Poudre de bronze d’aluminium
1.1.2. Poudre de TA6V
1.1.3. Poudre d’alumine
1.2. Substrats
1.2.1. Acier XC70
1.2.2. Acier inoxydable 316L
2. Procédé d’élaboration des revêtements
2.1. Description générale de l’installation de projection
2.2. Montages expérimentaux
2.2.1. Montage plan pour APS
2.2.2. Montage cylindrique pour RPS et HPRPS
2.3. Paramètres de projection
3. Méthodes de caractérisation des revêtements
3.1. Méthode d’analyse de la microstructure
3.1.1. Préparation des échantillons
3.1.2. Microscopie
3.1.3. Microanalyse X
3.1.4. Diffraction des rayons X
3.2. Outils pour l’étude de la microstructure
3.2.1. Etat de surface
3.2.2. Microscopie associée à l’analyse d’images
3.3. Caractérisation des propriétés mécaniques
3.3.1. Microdureté Vickers
3.3.2. Nanoindentation
3.4. Etude du comportement tribologique
3.4.1. Dispositif expérimental
3.4.2. Paramètres des essais
3.4.3. Résultats des essais
CHAPITRE III : ELABORATION DE DEPOTS COMPOSITES PAR PROJECTION PLASMA
1. Choix des matériaux et des procédés pour l’élaboration de dépôts composites
2. Elaboration de dépôts composites à structure particulaire 
2.1. Etude microstructurale des dépôts composites co-projetés
2.1.1. Microstructure des dépôts
2.1.2. Nature des phases oxydées
2.2. Influence des paramètres de projection sur la microstructure
2.2.1. Influence du mode d’injection des poudres
2.2.2. Influence de la granulométrie de la poudre
2.2.3. Influence de la position des injecteurs
2.2.4. Influence du débit de poudre d’alumine
2.2.5. Conclusion
2.3. Sélection de dépôts composites pour l’étude tribologique
2.3.1. Microstructures des dépôts composites choisis
2.3.2. Propriétés mécaniques locales des dépôts composites choisis
3. Elaboration de dépôts composites à structure lamellaire
3.1. Choix des conditions de projection et des paramètres de l’étude
3.2. Etude microstructurale des dépôts composites nitrurés
3.2.1. Microstructure des dépôts
3.2.2. Nature des phases nitrurées
3.2.3. Discussion
3.3. Influence des paramètres de projection sur le processus de nitruration
3.3.1. Influence de la pression
3.3.2. Influence de l’azote en tant que gaz plasmagène
3.3.3. Influence de la granulométrie
3.3.4. Influence de la distance de projection
3.3.5. Discussion
3.4. Sélection de dépôts composites pour l’étude tribologique
3.4.1. Microstructures des dépôts composites choisis
3.4.2. Propriétés mécaniques locales des dépôts composites choisis
4. Conclusion
CHAPITRE IV : ETUDE TRIBOLOGIQUE DES DEPOTS COMPOSITES PROJETES PLASMA
1. Etude tribologique des dépôts composites à structure particulaire
1.1. Essais de frottement
1.1.1. Essais continus
1.1.2. Essais interrompus
1.2. Usure des dépôts
1.2.1. Etude des pistes d’usure
1.2.2. Etude des débris d’usure
1.3. Synthèse des résultats
2. Etude tribologique des dépôts composites à structure lamellaire
2.1. Essais de frottement
2.1.1. Essais sur dépôts bruts de projection
2.1.2. Essais sur dépôts polis
2.2. Usure des dépôts
2.2.1. Etude des pistes d’usure
2.2.2. Etude des débris d’usure
2.3. Synthèse des résultats
3. Conclusion
CHAPITRE V : MECANISMES D’USURE DES DEPOTS COMPOSITES PROJETES PLASMA
1. Mécanismes d’usure communs aux dépôts composites
1.1. Usure de la matrice
1.2. Usure des renforts
1.3. Formation d’un tribofilm
1.4. Conclusion
2. Influence de la microstructure des dépôts composites sur leur comportement tribologique
2.1. Cas des composites à structure particulaire
2.1.1. Rôle du renfort particulaire sur la formation du tribofilm
2.1.2. Rôle des oxydes interlamellaires sur l’usure des dépôts composites
2.1.3. Rôle de la rugosité initiale sur les caractéristiques tribologiques
2.1.4. Conclusion
2.2. Cas des composites à structure lamellaire
2.2.1. Rôle de la porosité sur la résistance à l’usure
2.2.2. Rôle de la rugosité de la surface usée sur le frottement
2.2.3. Conclusion
2.3. Corrélation microstructure – propriétés mécaniques du tribofilm
2.3.1. Cas des dépôts composites à structure particulaire
2.3.2. Cas des dépôts composites à structure lamellaire
2.3.3. Conclusion
3. Conclusion
CONCLUSION GENERALE

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