Étude et simulation des mécanismes de dégradation de revêtements anodiques noirs sur alliage d'aluminium pour applications en environnement spatial

Degradation mechanisms study and stimulation of black anodic coating : on aluminium alloy for space application

• Auteur / Autrice : Yann Goueffon
• Direction : Laurent Arurault, Catherine Mabru
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement thermique

Matériaux -- Détérioration

Aluminium

Anodisation

Mots clés libres

Anodisation noire

Faïençage

Ecaillage

Résumé

Les échanges thermiques entre un satellite et l'environnement spatial sont uniquement radiatifs. Une régulation thermique passive peut être assurée par l'utilisation de revêtements anodiques inorganiques noirs, élaborés sur substrats d'aluminium, en raison de leurs propriétés thermo-optiques (as>0,93; en>0,90). Toutefois, plusieurs anomalies d'écaillage ont été observées sur de tels revêtements après des cyclages thermiques simulant l'environnement spatial. L'objectif de cette thèse est de comprendre les causes de ces anomalies, sources potentielles de contamination critique pour le satellite. Le procédé d'élaboration de ces films anodiques est composé de quatre étapes : des prétraitements, une anodisation sulfurique, une coloration inorganique et un colmatage. L'influence de chacune de ces étapes sur la morphologie et la composition des films a été étudiée. Il a notamment été montré qu'une faible augmentation de la température d'anodisation conduit à l'augmentation significative et critique de la porosité du film. Les propriétés thermomécaniques des films (module d'Young, contraintes résiduelles, à rupture ou coefficient de dilatation thermique) ont été déterminées expérimentalement. Il a été démontré en particulier que les étapes de coloration et de colmatage peuvent conduire au faïençage du film pour les porosités les plus élevées. L'évaluation de l'adhérence des films (pelage, rayure, flexion quatre points) associée à un modèle numérique ont permis d'étudier les mécanismes de dégradation lors de cycles thermiques. Il a été démontré notamment que les dilatations différentielles et la déshydratation du film peuvent favoriser la propagation de fissures et ainsi conduire à l'écaillage.

Thermal exchanges between space vehicles and their environment are only radiative. A passive thermal regulation is possible using black inorganic coatings, prepared on aluminium alloys substrates, due to their thermo-optical properties (as>0,93; en>0,90). However, several cases of film flaking have been observed after thermal cycling performed to simulate the space environment. The goal of this work is the understanding of the anomaly causes, which could be a critical contamination source for the satellite. The process of black anodizing is composed of four main steps: pretreatments, sulphuric anodizing, inorganic colouring, and sealing. The influence of each step on the film's microstructure and composition has been studied. In particular, it has been shown that an increase of the anodizing temperature results in a drastic increase of the film porosity. Thermo-mechanical properties of these films (such as the Young modulus, residual stress, limit tensile stress or the coefficient of thermal expansion) have been experimentally determined. It has been proved that the colouring and sealing steps can lead to the crazing of highly porous anodic films. Adhesion evaluation (peel, scratch and four point bending tests) and a finite element model were used to identify the mechanisms of degradation during thermal cycling. Differential thermal expansions and dehydration of the film favour crack propagation inside the film and can lead to flaking.