Elaboration par projection plasma réactive sous très basse pression de dépôts de matériaux dans le système Aluminium-Titane-Azote

Manufacturing by reactive plasma spraying under very low pressure of coatings made of materials in the aluminium-titanium-nitrogen system

• Auteur / Autrice : Béatrice Vautherin
• Direction : Ghislain Montavon, Marie-Pierre Planche
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance le 16/10/2014
• Etablissement(s) : Belfort-Montbéliard
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Physiques pour l'Ingénieur et Microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IRTES. LERMPS - Laboratoire d'Études et de Recherches sur les Matériaux- les Procédés et les Surfaces / IRTES - LERMPS
• Jury : Président / Présidente : Daniel Morvan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ghislain Montavon, Marie-Pierre Planche, Daniel Morvan, Michel Vardelle, Alain Gleizes, Luc Bianchi, Aurélie Quet, Frédéric Schuster
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michel Vardelle, Alain Gleizes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitements de surface

Projection au plasma

Mots clés libres

VLPPS

Revêtement

Titane

Aluminium

Nitruration

Propriétés des dépôts

VLPPS

Coating

Titanium

Aluminum

Nitriding

Coating properties

Résumé

La projection plasma sous très basse pression (communément désignée par son acronymeanglais VLPPS : « Very Low Pressure Plasma Spraying ») est un procédé émergent de traitement desurface par voie sèche permettant l’élaboration de dépôts métalliques et céramiques (type oxydes),sous des conditions de pression réduite, de l'ordre d'une centaine de Pascal, par utilisation d'un jet deplasma thermique. Un tel niveau de pression permet principalement la formation de dépôts parcondensation de vapeurs résultant de la vaporisation, partielle ou totale, des précurseurshabituellement sous forme solide. C'est principalement en cela que ce procédé diffère des procédésplus conventionnels de projection thermique, conduisant à la formation de dépôts par l'écrasement, lasolidification et l'empilement de particules liquides fondues dans un jet de forte énergie. En fonctiondes conditions de projection employées, les revêtements élaborés par VLPPS peuvent présenterdifférents types de microstructure, de colonnaires à lamellaires, de très denses à poreuses. Le modemixte de construction, caractérisé par la présence de vapeurs condensées et particules fonduesresolidifées peut également être rencontré.L'objectif global de ce travail est d'explorer le potentiel du procédé VLPPS en mode réactif envue de former des dépôts de matériaux présentant une fusion non congruente. Pour ce faire,l'aluminium et le titane ont été considérés comme matériaux métalliques précurseurs et l'azote commeélément réactif. Les matériaux qui pourraient résulter seraient alors des nitrures d'aluminium et detitane. Ces matériaux ont été sélectionnés avant tout comme matériaux démonstrateurs. Desapplications potentielles pourraient cependant rapidement déboucher en cas de performancessatisfaisantes : l'élaboration, sur de grandes surfaces, de couches de nitrures de titane et d'aluminium,présentant de bonnes résistances à l'oxydation ainsi que de bonnes propriétés tribologiques,notamment une résistance élevée à l'usure.Au cours de cette étude, des dépôts métalliques d’aluminium, titane et titane-aluminium et desdépôts composites nitrurés Al-AlN, Ti-TiN et TiAl-TiAlN ont été élaborés par projection VLPPS enmode réactif. Les dépôts composites nitrurés présentent par exemple des duretés moyennes plusimportantes que celles des dépôts métalliques. Ces dépôts renferment jusqu'à 30%at. d'azote et lescomposés TixN, AlN et TixAlN ont été clairement identifiés.

The Very Low Pressure Plasma Spraying (VLPPS) is an emerging deposition process tomanufacture metallic and ceramic coatings, under a very low surrounding pressure, typically about onehundred Pascal, thanks to a thermal plasma jet. Such a pressure range allows principallymanufacturing coatings by condensation of vapors resulting from the vaporization, partial or total, ofsolid precursors, in most of the cases. This is the main difference of this process compared to moreconventional thermal spray processes, which form coatings by spreading, solidification and stacking ofparticles melted in a high energy jet. Depending upon the spray operating conditions, coatingsmanufactured by VLPPS exhibit different types of microstructures, from columnar to lamellar, fromdense to porous. The coating building dual mode, made of condensed vapors and molten particles isalso possible.The aim of this work is to explore in a reactive mode the VLPPS potential to manufacturecoatings made of materials exhibiting a non-congruent melting behavior. Here, for a demonstrationpurpose, Aluminum and Titanium were considered as the metallic precursors and Nitrogen as thereactive element. Therefore, materials which could result would be Aluminum and Titanium nitrides.Some possible applications could result directly from this study: the manufacturing on large surfacesof Aluminum and Titanium nitride layers, exhibiting good oxidation resistance and tribologicalproperties, especially a high wear resistance.In this study, metallic coatings of Aluminum, Titanium and Aluminum-Titanium and Al-AlN,Ti-TiN and TiAl-TiAlN coatings were manufactured by reactive VLPPS. Nitrided composite coatingsexhibit, for example, higher average hardness than metallic coatings, Those coatings embed up to 30at.% of Nitrogen and TixN, AlN and TixAlN compounds were clearly identified.