Ingénierie des surfaces à hautes performances pour des

1Université de Technologie de Belfort-MontbéliardSite de Sevenans - 90010 Belfort cedex – France - lermps.utbm.fr

Ingénierie des surfaces à hautes performances pour des applications en milieux extrêmes

Cécile LANGLADE, Sophie COSTIL

Rencontres nationales RDM - réseau HP - Mittelwihr 16 nov. 2011

2


sollicitations principales des structures

objetindustriel

oxydation

corrosion

fluage

fatigue

corrosion,

SURFACE VOLUME

sollicitationsthermiques

sollicitationsmécaniques

sollicitationsenvironnementales

3


des traitements de surfaces en réponse àdes enjeux sociétaux et économiques

réduire de 20% les frottements dans un moteur àcombustion interne diminue sa consommation de 7%

augmenter le rendement d’une turbine à gaz (300 MW) de 1% permet une économie annuelle de carburant de 2M€

une prothèse de hanche doit résister à plus de 15 millions de cycles (nombre moyen de pas durant 15 années représentant environ 1,25Mkm)

4


prothèse de hanche

chambre de combustion volets de tuyère d'éjection

quelques exemples

5


Des revêtements pour la mécanique

Analyse simplifiée de Hertz

F

F

F

F

b FRlE

4 1 2**

l

2b

l

lRFEp

**

max

max max. 0 304p

z b 0 786.

31

*E2*FR3a

2max 23

aFp

maxmax p31.0

z a 0 48.

6



Notion de dépôts épais / dépôts mincesépaisseur de dépôts / rayon de contact

Cas des films minces: (ed / a) < 0,1

ed

50 m

Seul le substrat est sollicité. Il impose sa déformation au dépôt. Le film transmet la sollicitation.

Compatibilité des déformations Qualité de l’interface

7




Cas des films minces: (ed / a) < 0,1

Typiquement films de quelques microns d’épaisseur ou moins PVD, CVD, sol-gel…

A déposer sur un substrat dur (gouverne la déformation)

Adhérence / compatibilité déformation à optimiser

Pour: un supplément de dureté ou caractéristiques spécifiquesanti-friction, anti-corrosion, faible adhésion…

8




Cas des films épais: (ed / a) > 0,1

Seul le film est sollicité. Transfert des déformations et sollicitations réduit

F

9




Cas des films épais: (ed / a) > 0,1

Typiquement films d’épaisseur supérieure à 100 microns Bains liquides, Projection thermique…

Tout type de substrat utilisable

Adhérence à optimiser

Pour: apport de résistance mécanique ou spécifiqueanti-friction, anti-corrosion, barrière thermique, faible

adhésion…

10


Notre ADN

PROJECTION THERMIQUE

DEPÔT PHYSIQUE EN PHASE VAPEUR

ELABORATION DE POUDRES

FABRICATION ADDITIVE

PROCEDES

développement de matériaux en couches (minces ou épaisses) par procédés par voie sèche

RECHERCHEDISCIPLINAIRE

SCIENCE DESMATERIAUX

GENIE DESPROCEDES

20 µm

20 µm 20 mm

Λ = 120 nm

2 µmPRINCIPAUX

CHAMPSD'APPLICATION

ENERGIE

TRANSPORT

SANTE

11


potentiels

des procédés avec de nombreux avantages, une large gamme de traitements (dépôts minces / épais ; dépôts poreux / denses, etc.)pour des matériaux divers (organiques, céramiques, métalliques, composites, etc.)limitation des rejets

des applications nombreuses dans pratiquement tous les secteurs de l’industrie (aéronautique, automobile, sidérurgique, papetière, minière, biomédicale, des biens de consommation, de la construction, pétrochimique, bâtiment, militaire, etc.)

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Traitements de surface par voie sèche

dépôts physiques en phase vapeur

condensation de vapeur 10-3 Pa élaboration de dépôts minces(1 nm à 10 µm)

projection thermique

projection de particules fondues élaboration de dépôts épais (50 – 2000 µm)

20 µm

13


pulvérisation de la source de matière

- 300 - 1000 V

Ar+

Me-

Pom

page

Plasma

Ar

0,1 à 1 Pa

Métal

Porte échantillon

-300 à -1000 V

Enceinte(-)

mise sous videCréation d’un plasma

Matériau àdéposer

substrat

Atomesions

condensation de la vapeur sur la pièce

DEPOT d'épaisseur nanométrique (1 nm à 10

µm) constituée de l'empilement de milliards

d’atomes 10 µm

le dépôt physique en phase vapeur (PVD)

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particules de POUDRE(micrométriques voire

nanométriques) métalliques ((NiAl, NiCu, inox, etc.),

céramiques (Al2O3, TiO2, ZrO2-Y2O3, etc.), polymères

(PEEK, PE, etc.) ou composites (WC-Co, etc.)

JET ENERGETIQUE

plasmatempérature ~ 12000°C

vitesse ~ 1000 m.s-1

flammetempérature ~ 3000°C

vitesse ~ 200 à 2000 m.s-1

fusion et accélération de poudres dans un jet

énergétique

temps d’interaction plasma/poudre : ~ 0,1 – 0,3 ms temps de vol des particules : ~ 1 ms

la projection thermique

mélangegazeux

énergie flamme ou plasma d'arc

15


substrat àrevêtir

revêtementmélangegazeux

énergie flamme ou plasma d'arc

matériau

10 µm

vue de dessus

la projection thermique

http

://w

ww

.ipp.

cas.

cz/M

i/

200 µm = 0,2 mm

lamelle de dimensions micrométriques

DEPOT d'épaisseur micrométrique (50 µm à 10

mm) constitué de l'empilement de centaines de millions de

lamelles

16


des limites certaines

Projection Thermique épaisseur minimale 50 µm procédé directionnel

10 m

barrière thermique (ZrO2-8Y2O3)

PVD épaisseur maximale 5 µm procédé directionnel

10 µm

17


solution conséquence développements

réduire les masses et l’inertie

nécessité de nouveaux matériaux et nouvelles

méthodes de fabrication

matériaux moins denses (CMC, aluminures, etc.) fabrication additive

augmenter le rendement

thermodynamique

augmentation des températures et des

pressions

barrières thermiques et environnementales

diminuer les pertesréduction des

tolérances dimensionnelles

joints abradables, couches tribologiques

réduire les étapes de transformation

structures complexes des générateurs

cellules photovoltaïques, piles àcombustible, etc.

quelques constats

les solutions sont (souvent) connues mais butent pour la plupart sur des problèmes de comportement et/ou de mise en œuvre des matériaux

18



dépôts physiques en phase vapeur Applications outils de coupe

19



dépôts physiques en phase vapeur Applications outils de coupe

890 : Finition

100

120

140

160

180

200

220

240

450 500 550 600 650 700 750

Effort de coupe principal (N)

usur

e en

dép

ouill

e VB

(µm

) 890

TiN

CrN

MulticoucheCrN-TiN

NanocoucheCrN-AlTiN

MulticoucheCrN-AlTiN

NanocoucheTiN-AlTiN

MulticoucheTiN-AlTiN

NanocoucheCrN-TiN

Diminution des efforts de coupe Dim

inution de l'usure en dépouile

20



dépôts physiques en phase vapeur Applications choc

21



dépôts physiques en phase vapeur Applications choc

22


pour augmenter la durée de vie du matériausollicitations sévères (chimique, thermique, électrique, radioactive, etc.)élaboration d’un revêtement d’alumine

bonnes propriétés thermomécaniquesaccommodations microstructurales (complaisance)

un exemple en projection thermique pour des sollicitations multiples

23


revêtement inhomogènemicrostructure poreuse, fissurée, etc.

percolation des espèces réactivesperte de l’isolation

électrique

Imprégnation chimique de la couche

Limiter la diffusion d’espèces chimiquesProtéger l’interfaceformer une barrière de diffusion

dépôtd’aluminebrut de projection

dépôtd’alumineimprégné de phosphate d’aluminium

un exemple en projection thermique pour des sollicitations multiples

24


un exemple en lien avec les transportspour l’augmentation du rendement thermodynamique

barrières thermiques dans les turbines à gaz aéronautiques

pour protéger les composants (chambre de combustion, aubes…)

Barrière thermique (BT) Sous couche (BC)

substratcouche d’oxydes (TGO)

BT de 250 µm réduction de la température ~ 200 °C

1200 – 1400 °C

Particules solidesVanadium, soufre

oxygène

Flux thermique

25



principaux procédés utilisésProjection Thermique

Taux de dépôt élevé dépôts épais (50 µm – 3 mm) durée de vie limitéeComportement en fatigue limité

EB-PVD

Taux de dépôt faible dépôts minces (~100 – 200 µm) durée de vie élevéeComportement en fatigue amélioréCoût élevé

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de nouveaux travaux sur le contrôle de la microstructure, la durabilité, la tenue au cyclage thermique, avec le développement de nouveaux procédés de contrôle de l’architecture : refusion locale par laser, dépôt sous très basse pression, etc.

20 µm

zone refondu in-situ

zone brute de projection

zone refondue in-situ

modification de la microstructurelamellaire dendritique colonnaire

27


05

1015202530354045

1,7 1,8 2 2,2


Nom

bre

de c

hocs

th

erm

ique

s [c

ycle

s]

Densité d’énergie laser [J/cm2]

Résistance aux chocs thermiques

1000°C (6°C/s), 10 min 0°C (-100 °C/s)

Brut de projection

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Elastic Modulus Evolution and Behavior of Si/Mullite/BSAS-Based Environmental Barrier Coatings Exposed to HighTemperature in Water Vapor Environment, C.V. Cojocaru, S.E. Kruger, C. Moreau, and R.S. Lima, JTST 92—Volume 20(1-2) January 2011

un exemple en projection thermique pour une adaptation des structures aux flux thermiques

structures SiC sous hautes températures en environnement acqueuxStructure multicouche

BSAS : BaO-SrO-Al2O3-SiO2 / Mullite / Si

bon comportement du dépôt à1300°Cprotection du SiC en fonctionnement

29


ROTOR

STATOR

Configuration joint labyrinthe

pale

jeu

ROTOR

STATOR

Configuration bout de pale

ABRADABLE

Compresseur Chambre deCombustion

Turbine

B.P. H.P. H.P. B.P.

Partie froide Partie chaude

un exemple en lien avec les transportspour la diminution des pertes

Matériaux abradables

Matériau résistant à la température, à la corrosion, à l’érosion mais capable de se sacrifier en cas de touche

30



500 m

Matériaux abradables: Dépôts épais (>1mm) de MCrAlY élaboré par projection thermique

500m 500m

On peut jouer sur la composition mais surtout sur la microstructure, la porosité…

31



Matériaux abradables: Dépôts épais (>1mm) de MCrAlY élaboré par projection thermique

7,5% de porosité 20% de porosité

Nécessité de modélisation des propriétés thermiques et mécaniques

32



joints abradables développement de

nouvelles microstructures de matériaux abradables et modélisation de leur comportement thermomécanique

partenariats laboratoire M3M, UTBM MTU, Rolls Royce,

SNECMA, etc.

Micrographs of deposit sections

ImageJ

Ellipse-basedpicture

Material descriptionas a list of ellipses

LEG

Data

Software

OOF ANSYS

Measuredor desiredhardness

Plasticitylaw

Elastic law of behaviour

ANSYS

Structural descriptionof a prospective material

Abradability testparameters

Stresses andtemperatures

during a single hit

Temperaturesduring thewhole test

Variousassumptions

LATS

33


Loi de comportement et revêtements

Dépôts épais: gouvernent le comportement mécanique macroscopique du contact

Module d’élasticité et dureté accessible par nanoindentationLoi de comportement? Moyens d’essais traditionnels non adaptés…

Développement d’un essai utilisable sur dépôts épais: essai d’impact

34



Essai d’impact

35



Essai d’impact

Paramètres Plages de mesure

Energie cinétique 0,2 à 100 mJForce d’impact 50 à 2500 N Nombre d’impact /série

1- 2.106 impacts

Vitesse d’impact (m/s)

0,05 à 1 m/s

Fréquence des impacts

2,5 à 25 Hz

36


Loi de comportement et revêtementsEssai d’impact

Evolution des empreintes entre 1 et 10 impacts

37


Type d’analyse : dynamique explicit (Abaqus)

Billes ZrO2: - Corps indéformable ( rayon 1mm) - Ec = variable

Substrat:- Dimension: 2mmx1,5mm- Loi de Hollomon : σ = K.εn

Contact : - Glissant


Acier M2 non traité (230 HV50) Loi de Hollomon

38



0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,100

200

400

600

800

10001200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

2600

2800

3000Tr

ue S

tress

(MP

a)

True Strain

C45A - 210Hv C45WT5 - 310Hv C45WT4 - 410Hv C45W - 810Hv C45 - JC law

39


Conclusions/Perspectives

des procédés avec de nombreux avantages, une large gamme de traitements (dépôts minces/épais dépôts poreux / denses, etc.)pour des matériaux divers (organiques, céramiques, métalliques, composites, etc.)des applications nombreuses dans pratiquement tous les secteurs de l’industrie

limitation des rejets

40Université de Technologie de Belfort-MontbéliardSite de Sevenans - 90010 Belfort cedex – France - lermps.utbm.fr

Ingénierie des surfaces à hautes performances pour des applications en milieux extrêmes


41


nos principales collaborations nationales

ECLLYON 1

UB

UB

ENSCLLILLE 1

ENSEEGINPL

NANCYMINES-NANCY

FEMTOUTINAM

LA ROCHELLE ENSMA

UNILIM

METZMINES-PARIS

ENSAMMARNE LA VALLEE

EVRY

RENNES 1

ENISE

STRASBOURGINSA-STRASBOURG

37 laboratoires universitairesCEA-CENGCEA-LITEN

CEA-LESA

CEA-VALRHO

INRA

ONERA

6 laboratoires d'EPIC

SAFRAN

ARCELOR Research

HEF

IREPA-Laser

PSA-DETA

PVDCoGE

7 laboratoires industriels

collaboration : au moins 1 ACL cosignée

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nos principales collaborations internationales

JAMES COOK

PEKINDALIAN

XI'ANNORTHWESTERN

SHANGHAIYANSHANLUOYANGNANYANG

CHOSUN

TOHOKU

INDORE

NANYANG

IMI-BOUCHERVILLEKINGSTON

FORT SASKATCHEWAN

ARTECH CORP.CALIFORNIA

SUNY – STONY BROOK

SIMON BOLIVAR

ANNABABLIDASETIF

SIDI BEL-ABBESTLEMCENGHARDAIA

ALGER

PRETORIA

MONSGIRONA

AVEIROCOIMBRA

SKODA

ROLLS-ROYCE

CHEMFILT

FRAUNHOFER-IWSEIFER-KARLSRUHEKAISERSLAUTERN

KARLSRUHE FZMAINZ

AACHEN

EMPAARCSULZER-METCO

collaboration : au moins 1 ACL cosignée

44% des ACL cosignées avec des laboratoires étrangers

43


laboratoire de recherche correspondant CEA

ingénierie des surfaces à haute

performance

directions DRT : Saclay – Grenoble

DEN : Marcoule

DAM : Monts

actions engagées thèses

travaux exploratoires

réponses communes à des

AAP sign

éle

30

nove

mbr

e 20

10

44


membre de l'IRT M2P (matériaux, métallurgie et procédés)

IRT M2P

pôle secondaire

Académiques Principaux industriels

PRES

Académiques Principaux industriels

PRES

Produit

Enj

eux

indu

stri

els

Secteurs d’application

Ene

rgie

Tran

spor

t

Conception et SimulationElaboration et traitements thermiques

Mise en forme et usinageFonctionnalisation et traitements de surface

AssemblageCaractérisation des matériaux

Auto

mob

ileAé

rona

utiq

ueFe

rrovi

aire

Nav

al

Hyd

roca

rbur

esN

uclé

aire

Ener

gies

Ren

ouve

labl

esTr

ansp

ort e

t sto

ckag

e de

l’él

ectri

cité

Indu

strie

BTP/

Con

stru

ctio

nEm

balla

geO

utill

age

Mic

roél

ectro

niqu

eLu

xeD

ispo

sitif

s m

édic

aux

45


la valorisation de notre activité de recherche (janvier 2006 – décembre 2010)

75 partenaires industriels

typologie grands groupes (~60%):

SAFRAN, EADS, Dassault,

PSA, DAIMLER, GE,

ALSTOM, etc.

PME (~25%): Zimmer,

Alliance, IMASONIC, etc.

TPE : BV Proto, BKH, etc.

autres : CNRS, CEA,

ONERA, etc.

quelques chiffres

69 en France

6 à l'étranger

30 partenaires récurrents

(reconduction du

partenariat ≥ 3 ans)

+200 rapports d'études

+4000 pages de rapports

d'études

46


la valorisation des activité de recherche

ISO 9001:2008 personnels compétents et

formés équipements entretenus,

étalonnés, vérifiés essais normés (NF, EN,

ISO) respect des délais et des

engagementsdepuis mai 2009

ISO 13485:2004 traçabilité complète maîtrise des risques respect des exigences

réglementaires et légales depuis juin 2010

Extrait de la politique qualité du LERMPS

Le LERMPS se veut un partenaire de premier choix en matière d’ingénierie des surfaces au service des milieux économiques et industriels avec

lesquels il développe des collaborations, notamment les secteurs de l’aéronautique, de

l’automobile, des biens d’équipements ou encore du biomédical.

(…) La qualité de son organisation et la qualité des services délivrés sont des facteurs majeurs de confiance et de réussite pour ses partenaires.

47


Le laboratoire LERMPS

Fondé en 1986 reconnu par le ministère de

la recherche

Grade A (max. A+, min. D )

Dédiée à “procédésde projection thermique" et “procédés de

fabrication additive "(2158 m2)

SEVENANS (90)

Dédiée à “procédésde dépôts minces" et

équipements de caractérisation

(1219 m2)

MONTBELIARD (25)

2 plateformes

séquences vidéo

Documents

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