Les revêtements céramiques d'alumine, appréciés pour leur dureté élevée, leur résistance aux températures élevées, à la corrosion et à leur isolation électrique, sont devenus des matériaux de protection de surface indispensables dans des conditions extrêmes dans des domaines tels que l'aérospatiale, la pétrochimie et l'électronique mécanique. En particulier avec le développement d'équipements haut de gamme destinés à des charges, des vitesses et des températures plus élevées, les exigences de performances globales pour les revêtements d'alumine sont de plus en plus strictes. Cependant, un défi majeur pèse depuis longtemps sur la préparation et l’application des revêtements d’alumine : leur fragilité inhérente, leur sensibilité à la concentration des contraintes et l’inadéquation du coefficient de dilatation thermique avec les substrats métalliques. Associés aux caractéristiques rapides de fusion et de solidification des procédés de projection thermique, ces facteurs conduisent facilement à des contraintes de traction résiduelles au sein du revêtement, le rendant très sujet aux fissures et dégradant par conséquent ses performances de protection. Plus grave encore, sous l'effet d'un choc thermique ou d'une charge mécanique, des microfissures peuvent se propager et se connecter, provoquant finalement l'écaillage et la défaillance du revêtement.
Par conséquent, la suppression de l’initiation des fissures et le durcissement des revêtements d’alumine constituent non seulement un sujet central dans la recherche sur la technologie de projection thermique, mais également une condition préalable essentielle pour permettre leur application dans des environnements encore plus exigeants. Cet article présente des méthodes permettant d'éviter les fissures et d'obtenir un durcissement des revêtements d'alumine selon quatre dimensions : propriétés de la poudre pulvérisée, conception de la composition de revêtement, optimisation du processus de pulvérisation et contrôle de la structure du revêtement.
I. Propriétés de la poudre pulvérisée : la source du contrôle des défauts
En tant que « matière première » pour le revêtement, les propriétés physico-chimiques de la poudre pulvérisée déterminent fondamentalement la microstructure du revêtement et sa tendance à la formation de défauts. La suppression des fissures doit donc commencer par la sélection et l’optimisation de la poudre.
01 Contrôle et optimisation de la taille des particules
Généralement, les particules d'alumine plus petites peuvent mieux remplir les pores du revêtement pendant la pulvérisation, réduisant ainsi la porosité et favorisant des revêtements plus denses avec une résistance à l'usure et des propriétés mécaniques relativement élevées. Ainsi, une alumine de taille nano- plus fine est préférable en ce qui concerne les dimensions des particules. Cependant, les particules trop fines présentent deux problèmes principaux : d’une part, l’inertie des nanopoudres est très faible ; lorsqu'ils heurtent le substrat, ils manquent d'énergie cinétique suffisante pour adhérer efficacement, ce qui entraîne une très faible efficacité de dépôt. Deuxièmement, les nanopoudres ont une grande surface spécifique et une énergie de surface élevée, ce qui les rend sujettes à l’agglomération. Cela entraîne une mauvaise fluidité, une distribution difficile et une pulvérisation inégale, pouvant entraîner une dureté ou une résistance à l'usure insuffisante localisée, ou créer des zones de concentration de contraintes qui affectent les performances globales du revêtement.
Par conséquent, lors de l’utilisation de nanopoudres pour la pulvérisation, un processus de « granulation secondaire » peut être utilisé. Cela implique l'utilisation d'un liant pour former des particules plus grosses avec une distribution de taille et une forme spécifiques, améliorant la fluidité, facilitant le transport et le dépôt de la poudre pendant la pulvérisation et améliorant l'efficacité du dépôt.
02 Sélection Morphologique
Les poudres d'alumine sphériques de formes régulières et de bonne fluidité peuvent se propager uniformément lors de la pulvérisation, formant des structures de revêtement denses avec des surfaces lisses, une faible porosité et d'excellentes performances de protection. En revanche, les poudres d'alumine irrégulières ont tendance à se tasser de manière plus lâche, ce qui peut entraîner une porosité plus élevée et affecter la densité et l'intégrité du revêtement. De plus, en raison d'une dispersion inégale, les poudres irrégulières peuvent créer des points de concentration de contraintes dans le revêtement, entraînant le détachement des particules lors de l'usure et réduisant la résistance à l'usure. Par conséquent, pour les applications pratiques, les poudres sphériques ou quasi-sphériques avec une bonne fluidité et une densité apparente élevée doivent être privilégiées.
03 Influence de la composition des phases
L'alumine a jusqu'à 12 polymorphes, les plus courants comprenant -Al2O3, -Al2O3, -Al2O3 et θ-Al2O3. Parmi ceux-ci, -Al2O3, appartenant au système cristallin trigonal, est la structure la plus stable parmi les différents polymorphes. Les autres sont des phases de transition de l'alumine, qui sont des formes cristallines à basse température. Généralement, les revêtements principalement composés de la phase -Al2O3 présentent une bonne résistance et une bonne résistance à l'usure.
II. Coating Design: Achieving a 1+1>2 Effet Durcissant
La fragilité inhérente d’un seul revêtement d’alumine est sa faiblesse intrinsèque. En introduisant une deuxième phase dans la matrice d'alumine, en ajoutant des traces d'éléments modificateurs ou en optimisant la structure du revêtement, l'état de contrainte et le comportement à la rupture du revêtement peuvent être considérablement modifiés, obtenant ainsi un effet de trempe où « 1+1 > 2 ».
01 Conception de la composition du revêtement
Outre l'introduction de la phase -Al2O3, d'autres composants non-alumine peuvent être ajoutés en fonction des exigences spécifiques de l'application pour préparer des revêtements composites. Par exemple, des exemples récents notables de revêtements composites d'alumine incluent les systèmes Al2O3-TiO2 et Al2O3-ZrO2.
De plus, des ajouts de traces d'éléments de terres rares (tels que La2O3, CeO2) peuvent souvent produire des effets significatifs avec des quantités minimes. Ils agissent principalement en améliorant la microstructure du revêtement, ce qui peut augmenter la densité du revêtement et améliorer la liaison interfaciale. En fin de compte, cela conduit à des améliorations notables des propriétés mécaniques du revêtement telles que la résistance, la ténacité et la dureté, ainsi que ses performances pratiques en termes de résistance à l'usure, de résistance à la corrosion et de résistance aux chocs thermiques.
02 Conception de la structure de revêtement
L’inadéquation des coefficients de dilatation thermique entre les matériaux céramiques et les substrats métalliques est l’une des principales raisons de la fissuration du revêtement pendant son service. La conception de revêtements composites multi- composés de plusieurs couches avec des propriétés différentes, ou de revêtements fonctionnellement classés où la composition, la structure, la densité et la fonction du matériau changent continuellement du substrat à la surface du revêtement, peut atténuer la contrainte thermique causée par les différences de propriétés thermophysiques entre les matériaux, réduisant ainsi le risque de fissuration.
III. Optimisation du processus de pulvérisation : le contrôle du processus est la clé
La poudre subit une série de changements physiques complexes dans le jet de flamme, notamment le chauffage, l'accélération, la fusion, l'impact, l'aplatissement et la solidification. Des fluctuations mineures des paramètres du processus peuvent entraîner des variations significatives dans la qualité du revêtement.
01 Prétraitement du substrat
Avant la pulvérisation, une micro/nano-structure régulière, propre et hautement adhésive peut être créée sur la surface du substrat. Le contrôle précis de la rugosité et du profil et la garantie que la surface du substrat est exempte d'huile, d'oxydes et d'autres impuretés améliorent la force et la cohérence de la liaison, réduisant ainsi le risque de fissuration.
02 Optimisation des paramètres de processus
Les paramètres du processus de pulvérisation déterminent directement la température et la vitesse des particules de poudre dans le jet de flamme, influençant ainsi la morphologie des particules aplaties et les défauts du revêtement. Les recherches indiquent que les revêtements les plus denses sont obtenus lorsque les poudres sont complètement fondues sans surchauffe ; les états semi-fondus ou surchauffés ont tendance à augmenter la porosité et le nombre de défauts. Notamment, la surchauffe peut conduire à la formation de fissures longitudinales, principale cause de dégradation des performances du revêtement. Par conséquent, les paramètres de processus tels que la puissance de pulvérisation, le débit de gaz primaire, le débit d'alimentation en poudre, la distance de pulvérisation et la vitesse de pulvérisation nécessitent un ajustement expérimental continu pour correspondre à la poudre de pulvérisation et atteindre l'état idéal « complètement fondu mais pas surchauffé ». De plus, la surveillance en ligne de la température et de la vitesse des particules en vol peut être utilisée pour un contrôle précis du processus.
03 Application de nouvelles techniques de pulvérisation
Au-delà de la pulvérisation plasma atmosphérique traditionnelle (APS), les technologies de pulvérisation émergentes offrent davantage d'options pour préparer des revêtements renforcés. Par exemple, la pulvérisation par détonation utilise l'énergie explosive des gaz combustibles pour produire des revêtements très denses avec une faible porosité, une forte adhérence au substrat et des surfaces lisses, adaptés à la pulvérisation de cermets, d'oxydes et d'alliages métalliques spéciaux. Par rapport à l'APS classique, la pulvérisation plasma atmosphérique supersonique (SAPS) ou la pulvérisation plasma à basse-pression (LPPS) peut produire des revêtements plus denses avec une force de liaison plus élevée et une formation de fissures réduite.
04 Post-Techniques de traitement
La refusion au laser est une méthode efficace pour atténuer les défauts du revêtement. L'utilisation d'un faisceau laser à haute énergie-pour faire fondre et resolidifier rapidement le revêtement tel que-pulvérisé peut homogénéiser et densifier la structure du revêtement, éliminer la morphologie des couches et améliorer la force d'adhésion et la résistance aux fissures. Cependant, en raison des différences dans les propriétés thermophysiques des matériaux et du gradient de température important dans le bain de fusion lors de la refusion laser, l'optimisation de paramètres tels que la puissance du laser et la vitesse de balayage est cruciale pour éviter de générer de nouvelles contraintes thermiques et fissures. De plus, les traitements d’étanchéité peuvent combler les pores et les microfissures du revêtement, améliorant ainsi sa densité et son imperméabilité et réduisant le risque de propagation des fissures.