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1 Journée Technique ALUTEC, Morez, 16 mai 2013 Les activités du LERMPS en trait

1 Journée Technique ALUTEC, Morez, 16 mai 2013 Les activités du LERMPS en traitements de surfaces par voie sèche et en fabrication additive Christian CAMELIN, Alain BILLARD, Alexis VION (BV PROTO) Université de Technologie de Belfort-Montbéliard 90010 Belfort cedex - France Unité Propre de Recherche (UPR) de l'Université de Technologie de Belfort-Montbéliard Equipe d'Accueil (EA) n°7274 du Ministère de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche 2 Journée Technique ALUTEC, Morez, 16 mai 2013 SOMMAIRE • Généralités sur les surfaces • Préparations des surfaces • Procédés par voie sèche et mise en œuvre de la pulvérisation cathodique magnétron • Revêtements et fonctionnalisation • Présentation de la plateforme LERMPS Montbéliard • Fabrication additive et exemples de produits industriels BV Proto 3 Journée Technique ALUTEC, Morez, 16 mai 2013 Généralités sur les surfaces Christian CAMELIN, Alain BILLARD Université de Technologie de Belfort-Montbéliard 90010 Belfort cedex - France Unité Propre de Recherche (UPR) de l'Université de Technologie de Belfort-Montbéliard Equipe d'Accueil (EA) n°7274 du Ministère de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche 4 Journée Technique ALUTEC, Morez, 16 mai 2013 Historique des revêtements et traitement de surface L’homme a toujours cherché à conserver ses biens Hier : maison, armes , barques Maintenant : transport (voiture, avion, fusée….) CHOIX Utiliser un matériau résistant Recouvrir par un revêtement et/ou noble plus résistant 5 Journée Technique ALUTEC, Morez, 16 mai 2013 Du savoir-faire empirique à l’approche scientifique des surfaces Rupture scientifique et technologique avec le développement de la société industrielle et la science des surfaces De 1960 à ce jour : Développement et mise au point de procédés « modernes » à base d’évaporation sous vide, pulvérisation cathodique, dépôts chimiques en phase vapeur, dépôts ioniques et traitements par faisceau d’énergie 6 Journée Technique ALUTEC, Morez, 16 mai 2013 Différentes approches d’une surface Approche cristallographique et géométrique Approche physique d’une surface Approche thermodynamique et énergétique 7 Journée Technique ALUTEC, Morez, 16 mai 2013 La surface = discontinuité En surface ou volume sous- jacent Modification des liaisons avec plus proches voisins pour rétablir l’équilibre Avec l’environnement Création de nouvelles liaisons avec des atomes, molécules ou ions externes Pour les atomes de surface nouvellement créés le nombre de coordinence est différent de ceux à cœur du matériau Réactivité accrue des atomes de surface 8 Journée Technique ALUTEC, Morez, 16 mai 2013 En résumé …  Élaboration Matière première Coulée Frittage Polymérisation …  Histoire mécanique Sollicitations statiques Fatigue Fluage Usure/frottement …  Histoire thermique Traitement thermique Durée Température  Histoire liée au milieu environnant Corrosion sèche Corrosion humide Contamination Irradiation …  Mise en forme Laminage Fonderie Extrusion Usinage … La surface porte les trace de son histoire Préparation, traitement et propriétés finales liées à l’historique du matériau et de sa surface 9 Journée Technique ALUTEC, Morez, 16 mai 2013 Christian CAMELIN, Alain BILLARD Université de Technologie de Belfort-Montbéliard 90010 Belfort cedex - France Unité Propre de Recherche (UPR) de l'Université de Technologie de Belfort-Montbéliard Equipe d'Accueil (EA) n°7274 du Ministère de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche Préparation des Surfaces: Polissage, Dégraissage, Décapage 10 Journée Technique ALUTEC, Morez, 16 mai 2013 Introduction  Préparation de surface?  Ensemble de procédés successifs permettant d’obtenir une surface présentant les propriétés désirées,  Si la matériau initial présente intrinsèquement ces propriétés, on parle de finition. Sinon, on parle de traitement.  L’état de la surface influe sur:  L’adhérence,  Le mode de croissance de la couche,  La qualité du dépôt (défauts ou fautes),  L’état de surface final sur dépôt (amplification de défauts préexistants, fissuration, …) 11 Journée Technique ALUTEC, Morez, 16 mai 2013 Caractéristiques générales Les caractéristiques d’une surfaces diffèrent de celles du matériau dans la masse (cœur). Couches adsorbées 2 à 80 Å (OH, polluants, corps gras, …) Modification de la composition 0,01 – 0,1 µm (oxydes, …) Modifications structurales (écrouissage, …) Matériau de base 12 Journée Technique ALUTEC, Morez, 16 mai 2013 Besoins qualité Fonction de l’application envisagée (qualité exigée), Fonction de la méthode de dépôt, Fonction de la force de liaison désirée. En général Préparation mécanique (enlèvement de matière), Dégraissage (solvants, huiles de coupe, suspensions diverses), Décapage final (élimination des contaminants extrême surface, des occlus,…). Généralités Surfaces : Choix 13 Journée Technique ALUTEC, Morez, 16 mai 2013 Préparations de surface pour la PVD Généralement la préparation d’une surface à revêtir comporte 5 étapes : Une préparation mécanique pour éliminer les couches d’oxydes et conférer à la surface la rugosité souhaitée pour conférer l’intégrité du revêtement, Un dégraissage chimique Un rinçage à l’alcool, Un séchage à l’air chaud propre, Un décapage ionique in situ juste avant la phase de dépôt pour éliminer les quelques couches résiduelles d’oxydes et de contamination (hydrocarbures, vapeur d’eau). 14 Journée Technique ALUTEC, Morez, 16 mai 2013 Christian CAMELIN, Alain BILLARD Université de Technologie de Belfort-Montbéliard 90010 Belfort cedex - France Unité Propre de Recherche (UPR) de l'Université de Technologie de Belfort-Montbéliard Equipe d'Accueil (EA) n°7274 du Ministère de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche Procédés des dépôts par phase vapeur 15 Journée Technique ALUTEC, Morez, 16 mai 2013 Sommaire Introduction Techniques du vide Techniques du vide : généralités Techniques du vide : PVD Décapage Exemple de préparation avant dépôt PVD 16 Journée Technique ALUTEC, Morez, 16 mai 2013 Introduction Nombreuses techniques disponibles Procédés sous vide Grande diversité de produits Technologies avancées 1 APPORT 2 TRANSPORT 3 CROISSANCE 3 étapes 17 Journée Technique ALUTEC, Morez, 16 mai 2013 Introduction Matériau Nature (Mpur, Mall, Cér…) Etat (Solide, liquide, gazeux…) Energie T°, Ec, P, W, I, V, … Plasma Films minces • structure • composition • densité • propriétés • … Transfert Collisions réactions décompositions … 18 Journée Technique ALUTEC, Morez, 16 mai 2013 Introduction Plasma  Non réactif Ar, Ne, …  Réactif : ajout O2, N2, CH4, … 2 TRANSPORT 1 APPORT Matériau  Solide  Liquide  Gazeux 3 CROISSANCE Film  Composition  Morphologie  Structure  Propriétés, … 19 Journée Technique ALUTEC, Morez, 16 mai 2013 Introduction Rappels: création d’un plasma et pulvérisation Création d’une atmosphère raréfiée Obtention d’un vide secondaire, injection gaz neutre Application d’une différence de potentiel Accélération électrons Collisions e- / Ar Création Ar+ et e- Décharge auto entretenue Effet balistique Dépôt dans l’ensemble du réacteur Pompage Ar - (-) 20 Journée Technique ALUTEC, Morez, 16 mai 2013 Techniques du vide Généralités Vide Décontaminations (polluants, oxydants, …) Composition du produit final Atmosphère raréfiée Nécessaire à l’obtention d’un plasma Caractéristiques du plasma Dépôts PVD (général) 21 Journée Technique ALUTEC, Morez, 16 mai 2013 Techniques PVD :Généralités Procédés de dépôts en couches minces 1/ Mode de production de la vapeur, 2/ État électrique du substrat, 3/ Nature du gaz constituant le milieu. 22 Journée Technique ALUTEC, Morez, 16 mai 2013 Techniques PVD Évaporation Pulvérisation cathodique Creuset Substrat - Effet Joule Creuset Substrat Bobinage - Induction Creuset Substrat e- - Canon à électrons - Possibilité d’assistance ionique - Densification des revêtements - Modes réactifs, … - Pulvérisation magnétron réactive, RF, … Évaporation par arc électrique - Pulvérisation diode Substrat Cible - Pulvérisation triode (+) e- Anode Cathode - Pulvérisation magnétron 23 Journée Technique ALUTEC, Morez, 16 mai 2013 Techniques PVD : Comparatif général Avantages Inconvénients Évaporation sous vide  Vitesse de dépôt élevée  Matériel simple  Investissement faible  Faible température de substrat  Mal adaptés aux réfractaires  Difficultés pour les alliages  Faible recouvrement  Adhérence faible  Dépôts poreux et non uniformes Pulvérisation diode  Métaux, alliages, réfractaires, conducteurs ou non, …  Maîtrise de stoechiométrie  Adhérence, recouvrement  Faible vitesse de dépôt  Investissement élevé Pulvérisation magnétron  Idem diode  Vitesse de dépôt élevée  Faible T°de dépôt (polymères)  Contrôle  Mode réactif  Investissement très élevé  Homogénéités à contrôler  Flux très directif  Forme des pièces 24 Journée Technique ALUTEC, Morez, 16 mai 2013 Christian CAMELIN, Alain BILLARD Université de Technologie de Belfort-Montbéliard 90010 Belfort cedex - France Unité Propre de Recherche (UPR) de l'Université de Technologie de Belfort-Montbéliard Equipe d'Accueil (EA) n°7274 du Ministère de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche Revêtements et fonctionnalisation 25 Journée Technique ALUTEC, Morez, 16 mai 2013 Sommaire Types de dépôts Métallique Céramique Polymère Composites Fonctions principales des dépôts Modifications des propriétés mécaniques Modifications des propriétés de surfaces Revêtements Géométrie pièces Optimisation des conditions de dépôts 26 Journée Technique ALUTEC, Morez, 16 mai 2013 Matériaux composites Types de dépôts Les grandes classes des matériaux Métaux et alliages Polymères Matériaux naturels Verres et céramiques Aciers Aluminium Or Bronze Zinc…. Elastomères (caoutchouc, silicones…) Thermoplastiques (polystyrène, PVC…) Thermodurcissables (résines) Mousses (polystyrènes expansé) Verres Béton Céramiques techniques (alumines, diamant, carbures) Roches…… Bois Soie Coton Cuir Papier Matrices céramiques Matrices métalliques Matrices polymères 27 Journée Technique ALUTEC, Morez, 16 mai 2013 Matériaux composites Types de dépôts PVD Métaux et alliages Polymères Verres et céramiques Aciers Aluminium Or Zinc…. Thermoplastiques : Fluoroéthylène (PTFE) Polyéthylène (PE) Verres métalliques Céramiques techniques (alumines, diamant, carbures) Matrices céramiques (carbone, alumine, cermet) Matrices métalliques (aluminium, titane…..) 28 Journée Technique ALUTEC, Morez, 16 mai 2013 Fonctions principales des dépôts Modification des propriétés mécaniques - Revêtement uploads/Science et Technologie/ amphi-26-frittage.pdf