Clefs n°59 été 2010
Clefs n°59 été 2010
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°59 de été 2010

  • Périodicité : annuel

  • Editeur : CEA

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 160

  • Taille du fichier PDF : 16,5 Mo

  • Dans ce numéro : les matériaux au coeur du processus d'innovation.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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38 Les matériaux pour le nucléaire Des barrières environnementales pour milieux extrêmes L’émergence de nouvelles technologies requiert la mise au point de matériaux toujours plus performants. Celle-ci s’accompagne le plus souvent de la nécessité de les protéger vis-à-vis d’un environnement agressif extrême, que ce soit pour des applications dans le domaine nucléaire ou dans les secteurs de l’aéronautique et de l’automobile. L’évolution des procédés de dépôt a permis le développement de revêtements nanostructurés présentant des propriétés remarquables de résistance à l’usure, à la corrosion et aux hautes températures dans des conditions sévères. Élaboration de couches dures nanostructurées à base de nitrures dans le réacteur d’évaporation par arc cathodique sous vide, installé au CEA/Grenoble. CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 2010 L a protection des matériaux par mise en œuvre d’une barrière environnementale doit satisfaire à un cahier des charges associé à une application. En effet, il n’existe pas de revêtement universel qui constituerait une barrière efficace contre la corrosion en milieu très agressif, les hautes températures, les sollicitations mécaniques, la diffusion, ou une combinaison de ces conditions extrêmes. Le développement de telles barrières est donc profondément conditionné par les propriétés recherchées. Les méthodes d’élaboration de ces revêtements sont alors choisies en fonction de ces propriétés. Ainsi, diverses technologies de dépôt, matures à l’échelle industrielle, peuvent s’avérer complémentaires pour répondre aux différents besoins. La projection thermique, procédé de synthèse de dépôts épais (quelques centaines de microns) par voie sèche à pression atmosphérique, est par exemple utilisée pour la réalisation de barrières thermiques dans l’aéronautique. Ces barrières sont capables de protéger le substrat à des températures élevées (typiquement 1 200 °C) dans des atmosphères de kérosène (1) brûlé. Le développement des technologies de dépôt par voie sèche sous pression réduite, conjugué à l’évolution des réacteurs, a permis l’élaboration de couches minces de quelques microns, qui peuvent constituer des barrières efficaces aux fortes sollicitations mécaniques. Dans ce contexte, les nanomatériaux, portés par la dynamique des nanotechnologies, ont bénéficié d’un essor considérable et ouvrent de très larges perspectives dans divers domaines industriels. En effet, la structure nanométrique de ces nouveaux matériaux leur confère des propriétés très intéressantes par rapport à celles des matériaux conventionnels. Le (1) Kérosène : issu du raffinage du pétrole, il est utilisé essentiellement dans la fabrication de carburant pour l’aviation. C’est un mélange d’hydrocarbures contenant des alcanes (C n H 2n+2) de formule chimique allant de C 10 H 22 à C 14 H 30. P.Avavian/CEA
Chambre de dépôt du réacteur d’évaporation par arc cathodique sous vide, comportant un porte-substrats pouvant se déplacer suivant trois axes de rotation. domaine de la durabilité des matériaux par application de traitements de surface par projection, ou sous vide par voies sèches physique (PVD) ou chimique (CVD), a aussi fortement évolué dans ce sens. La plupart des revêtements développés ont aujourd’hui une structure nanométrique. Il existe principalement deux approches pour synthétiser sous vide un revêtement de structure nanométrique. La première vise à obtenir des précipités de taille nanométrique dans une matrice homogène, qui peut être amorphe ou non (dépôt de type nanocomposite). La seconde consiste à empiler des couches d’épaisseur nanométrique de plusieurs matériaux (dépôt de type nanocouche). Trois exemples sont décrits ci-après. Les deux premiers mettent en évidence l’influence de ces nanostructurations sur la résistance à l’usure et la résistance à l’oxydation des revêtements. Le troisième met en exergue l’intérêt de la synthèse de barrières thermiques nano - structurées par un procédé innovant de projection plasma de suspension. Des revêtements nanostructurés pour résister à l’usure abrasive L’application envisagée est la protection des outils coupants en carbure de tungstène (WC) contre l’usure, lors d’opérations d’usinage de l’Inconel 718. Ce superalliage de nickel (Ni), de chrome (Cr) et de fer (Fe), qui présente de hautes caractéristiques mécaniques, est entre autres employé pour la fabrication de composants de réacteurs nucléaires. Pour ce type d’application, des revêtements multicouches à base de nitrures – comme le nitrure de titane (TiN), le nitrure de chrome (CrN) et le nitrure mixte d’aluminium et de titane (AlTiN) – ont été déposés par évaporation par arc cathodique. Le choix de ce procédé de dépôt par voie physique est imposé par la nécessité d’atteindre des niveaux d’adhérence du revêtement sur l’outil compatibles avec les sollicitations très sévères attendues. En effet, en évaporation par arc cathodique, le taux d’ionisation de la phase génératrice de plasma est beaucoup plus important P.Avavian/CEA que celui, par exemple, d’un plasma de pulvérisation cathodique magnétron : 80% du titane est ionisé dans une décharge d’arc cathodique contre quelques pour cent dans une décharge de pulvérisation. Cette caractéristique offre la possibilité de réaliser un décapage ionique avec les ions du matériau à déposer et de conditionner la surface à revêtir. Les technologies de dépôt sous vide mettent en œuvre des processus hors d’équilibre thermodynamique et conduisent généralement à des matériaux contenant des phases métastables. Ceux-ci sont dotés de propriétés parfois plus intéressantes que celles des matériaux conventionnels dont ils sont issus. Ici, la réduction de la taille des couches TiN et AlTiN dans un empilement d’épaisseur totale de 3 µm permet d’obtenir une structure dite « super-réseau » (figure 1). Un dépôt nanocouche « super-réseau » est un empilement de couches épitaxiées, caractérisé par une continuité cristallographique à travers les interfaces. Le durcissement observé lorsque la période – épaisseur de deux couches successives – diminue (figure 2) est 50 nm 111 dureté H (GPa) 60 700 58 56 H (GPa) 54 52 E (GPa) 650 50 48 46 600 44 42 40 550 38 36 34 500 32 30 450 multicouche CrN-TiN = 230 nm multicouche CrN-AITiN = 190 nm multicouche TiN-AITiN = 225 nm nanocouche CrN-TiN = 8,8 nm Figure 1. Image en champ clair de la coupe d’un revêtement TiN-AlTiN super-réseau observée en microscopie électronique à transmission avec le cliché associé de microdiffraction des électrons, mettant en évidence une croissance selon la direction [111] perpendiculaire à la surface du substrat. (reproduit à partir de Surface & Coatings Technology, volume 201, issues 1-2,C. DUCROS,C. CAYRON et F. SANCHETTE « Multilayered and nanolayered hard nitride thin films deposited by cathodic arc evaporation. Part 1 : Deposition, morphology and microstructure », p.136-142, 2006, avec la permission de Elsevier) nanocouche CrN-AITiN = 8,5 nm nanocouche TiN-AITiN = 7,5 nm Figure 2. Dureté H et module d’Young E de revêtements multicouches (190 nm « 230 nm) et nanocouches (7,5 nm « 8,8 nm) pour les trois systèmes CrN-TiN, CrN-AlTiN et TiN-AlTiN. représente l’épaisseur de deux couches successives ou période. module d’Young E (GPa) CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 2010 39



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