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Assurer l'adhérence substrat-revêtement

La rédaction
Aujourd'hui, les pièces visibles doivent être légères mais résistantes, bon marché mais d'apparence luxueuse... Les revêtements touchent donc de nouveaux secteurs, de nouveaux substrats et demandent de repenser les procédés d'élaboration : plus respectueux de l'environnement et moins énergivores, ils doivent en outre garantir une tenue parfaite. Un casse-tête pour les ingénieurs et les chimistes.

Les revêtements de surface remontent à l'antiquité. Historiquement introduits par voie liquide en couches épaisses avec la galvanoplastie du cuivre et des métaux précieux puis, au siècle dernier, par l'électrolyse industrielle dans le domaine de la décoration, avant de s'étendre à la protection contre la corrosion et à l'obtention de dépôts durs, les revêtements de surface ont en parallèle - au milieu des années 1950 - connu un essor important dans le domaine de la microélectronique avec les technologies de mise en oeuvre sèches (PVD, CVD, plasmas) permettant des dépôts et des définitions de motifs (gravure) en couches minces. Avec ces technologies facilitant l'intégration, les microprocesseurs ont atteint l'asymptote prédite par les lois de Moore avec des dimensions critiques atteignant 20 nanomètres en production industrielle. Ces procédés par voie sèche sont aujourd'hui transposés dans des secteurs émergents : nanoélectronique, photovoltaïque, microsystèmes électromécaniques (Mems), microfluidique, biopuces ou nanobiologie...

Les revêtements de surface poursuivent leur développement du fait des impératifs sociétaux actuels : meilleure gestion des énergies et développement durable nécessitent de repenser nos modes de vie. D'ici l'arrivée de solutions entièrement propres, la réduction des consommations et des émissions toxiques passe par une réduction des pertes énergétiques, soit la recherche d'un meilleur rendement entre l'énergie consommée et le travail rendu. Dans le secteur du transport (aéronautique, naval, ferroviaire, automobile), les innovations sur les matériaux concernent, outre la performance des moteurs, la limitation des frottements entre pièces en mouvement et l'allégement de toutes les structures mobiles.

De manière plus large, la complexité et l'intégration toujours plus poussées de nos systèmes orientent les recherches vers le fait de conférer les propriétés d'usage seulement là où c'est indispensable. Il s'agit alors de restreindre la quantité de matière à l'indispensable partie du matériau devant supporter les exigences techniques.

On recherche donc l'emploi de matériaux moins denses que les traditionnels aciers : aciers à haute limite élastique (HLE), à très haute limite élastique (THLE), métaux et alliages métalliques légers (aluminium, magnésium, titane...). À terme, leur remplacement par des composites à matrice organique semble inéluctable (déjà 50 % en masse dans l'Airbus A350). Ces matériaux composites structuraux sont déployés vers les secteurs du ferroviaire et de l'automobile, initialement pour les véhicules de grand tourisme comme la McLaren MP4 mais dorénavant, du fait de l'arrivée des véhicules électriques précipitant le besoin d'allégement, dans des véhicules de grande série comme la BMW i3. Ces matériaux ont recours à des procédés de fabrication pour la plupart manuels et relativement longs qui doivent maintenant être transposés vers des hautes cadences de production industrielle, exigeant une automatisation, de nouvelles technologies de mise en oeuvre et de nouveaux procédés de préparation de surface, que ce soit pour leur mise en peinture, leur collage ou leur assemblage. Des revêtements nouveaux doivent aussi être développés pour apporter à ces matériaux isolants la conductivité électrique perdue ou les propriétés tribologiques adéquates.

De manière plus générale, conférer à la surface les bonnes propriétés en allégeant la masse de la pièce permet à l'industriel de baisser les coûts et/ou de monter en technologie. Par ailleurs, les revêtements métalliques obtenus par des procédés récents comme la projection dynamique à froid (cold-spray) peuvent approcher les propriétés d'une pièce massive et donc venir s'implanter sur quelques microns d'épaisseur seulement : gain de poids mais également de technicité, de complexité.

L'emploi généralisé de revêtements sur des substrats légers fait apparaître un point à criticité élevée : l'adhérence. L'adhérence est un phénomène naturel qui a inspiré les industriels (Fig. 1). Encore faut-il pouvoir la qualifier voire la mesurer pour la contrôler et l'optimiser malgré de très nombreux paramètres combinés (matériaux, procédés et environnement).

1. LE PRINCIPE GÉNÉRAL DE L'ADHÉRENCE

La surface industrielle possède une épaisseur qui dépend du moyen d'observation ou de traitement utilisé. Il suffit de polir une pièce avec une série de grains abrasifs de taille décroissante pour se rendre compte que la surface de n'importe quel objet prend des aspects successifs différents, qui témoignent d'une épaisseur travaillée de plus en plus fine jusqu'à l'aspect « poli miroir » correspondant à une rugosité moyenne submicronique. La préparation de la surface industrielle est réalisée par des voies chimique (nettoyage, dégraissage, oxydation), mécanique (décapage, abrasion), thermique ou physique et doit s'adapter au procédé de[…]

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