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Les céramiques: déjà en soi un traitement de surface

Date de publication
27 février 2020
facebook twitter LinkedIn Google Mail Environnement/Industrie/Matériaux Print
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Les céramiques sont des matériaux durs, inertes chimiquement, résistant à la corrosion et aux sollicitations d’usure tant en abrasion qu’en érosion.

Les technologies de traitements de surface croissent au fur et à mesure qu’explosent les exigences du monde industriel. Applications multiples à tous les stades du développement d’un objet matériel, ces technologies interviennent dès la méthode de fabrication jusqu’aux fonctions de l’objet fini.

Des applications qui couvrent (presque) tous les secteurs : la mécanique (lubrification des pièces), l’automobile (suppression des traitements au chrome VI, démouillage des pneumatiques), cosmétique (le toucher des flacons), le bâtiment (vitres autonettoyantes), l’optique (nanopolissage), la santé (revêtements bactéricides), le vernissage (à base de poudre, sans solvants, sans pulvérisation), les procédés de nettoyage sans solvant, le textile (traitements hydrophobes).

Objectifs pour l’industrie ? Mettre en œuvre des procédés plus innovants en termes de performance et de coûts, répondre aux enjeux  environnementaux  et  de  santé  avec des solutions qui répondent au cahier des charges fonctionnel , améliorer les propriétés de service et/ou performances des matériaux par l’ajout de fonctionnalités innovantes à la surface des pièces (fonctionnalités parfois combinées), augmenter la durabilité des surfaces vis-à-vis des sollicitations de service (frottement, par exemple), reconvertir des produits en leur donnant une autre fonction et s’ouvrir ainsi de nouveaux marchés.

Panorama des acteurs wallons qui peuvent soutenir vos démarches en matière de traitement de surface:

Cette semaine, BCRC INISMa:

traitement de surface, céramiques, BCRC, Inisma, cladding4 questions au Dr Fabrice Petit, programme manager au Research and Technological Support Department

Le BCRC (Belgian Ceramic Research Centre) est un Centre de Recherche atypique dans le paysage de la recherche en Belgique puisqu’il regroupe sous une même autorité de gestion les activités de 3 institutions : le CRIBC, l’asbl INS  et l’asbl INISMa dont l’objet fût, lors de sa création, d’une part, de rapprocher la recherche industrielle menée par le Centre de Recherche des recherches plus fondamentales menées au sein des institutions universitaires montoises et, d’autre part, d’élargir le domaine couvert jusqu’alors (la céramique au sens européen du terme) aux matériaux inorganiques non métalliques et aux caractérisations des sols.

Aujourd’hui, les domaines couverts par le BCRC sont :

  • les céramiques (traditionnelles et avancées: oxydes, nitrures, carbures, etc. en massif ou en couches épaisses), les verres,
  • les autres matériaux inorganiques non métalliques (ciments, géo-polymères, carbures cémentés, composites céramique-métal, etc.),
  • les matières premières (chimiques, naturelles, recyclées),
  • les biomatériaux,
  • les sols et la remédiation éventuelle de ces derniers (pour leur caractérisation de portance mécanique, leur origine géologique, minéralogique, leur pollution, l’hydrologie, etc.).

 

Quels apports du BCRC pour les traitements de surface?

Le dépôt céramique est déjà en soi un traitement de surface : c’est vrai?

Dr Fabrice Petit: les céramiques sont des matériaux durs, inertes chimiquement, résistant à la corrosion et aux sollicitations d’usure tant en abrasion qu’en érosion. Ce sont en outre des matériaux qui sont le plus souvent extrêmement réfractaires et de conductivité thermique faible ce qui les rend particulièrement adaptés pour des applications hautes températures.

Pour l’ensemble de ces caractéristiques, il n’existe aucune autre classe de matériaux qui surpasse les céramiques: les métaux et les polymères sont plus tendres et moins réfractaires.

Il n’existe donc pas de matériau « non céramique » qui puisse être appliqué sur une céramique pour en améliorer les performances. Toutefois, la gamme de performances et de fonctionnalités offertes par les céramiques est tellement large qu’il arrive qu’une céramique plus résistance soit déposée sur une céramique qui l’est moins.

Quels sont les différents traitements de surface que l’on peut appliquer à la céramique et quelles en sont les applications?

Dr Fabrice Petit: lorsque les céramiques sont déposées sous forme de revêtements, ce sont précisément ces propriétés de dureté, de réfractarité ou de résistance à l’usure qui sont le plus couramment recherchées.

On peut les déposer sous forme de films minces de quelques centaines de nanomètres à quelques micromètres par procédé PVD (dépôt physique en phase vapeur) ou CVD (dépôt chimique en phase vapeur). Par exemple: on peut réaliser des dépôts d’alumine sur verre pour améliorer sa résistance à l’usure.

BCRC-INISMa peut également les déposer sous forme de films épais (quelques centaines de micromètres) par torche plasma par exemple. Par exemple, des barrières thermiques en zircone pour l’aéronautique, des revêtements de céramiques de type hydroxyapatite (une espèce minérale de la famille des phosphates) sur des prothèses de hanche en titane ….

Pléthore de technologies de projection céramiques

traitement de surface, céramiques, BCRC, Inisma, claddingIl existe en fait pléthore de technologies de projection compatibles avec les céramiques. Outre les exemples mentionnés, on peut citer les diverses formes de projection thermique qui sont des procédés de traitements de surface par voie sèche (par opposition aux voies humides comme les Sol-Gel). Elle permet de réaliser des revêtements avec une grande gamme de matériaux.

La projection HVOF (High Velocity Oxy Fuel) ou projection à la flamme supersonique : un revêtement est appliqué à haute température et grande vitesse sur un objet métallique.

Objectif? Augmenter sa résistance à la corrosion et/ou améliorer sa conductivité électrique ou thermique.

Cette technologie permet de réaliser des revêtements épais (généralement de quelques dizaines de micromètres à quelques centaines) de natures très variées sur des substrats – les pièces  à revêtir – tout aussi variés.

Il existe aussi, dans la même gamme, la projection à la flamme et la projection par combustion.

traitement de surface, céramiques, BCRC, Inisma, claddingCitons encore les dépôts par voie humide comme les dépôts Sol-Gel. L’appellation Sol-Gel est une contraction des termes « solution-gélification ». C’est un procédé d’élaboration de matériaux permettant la synthèse de verres, de céramiques et de composés hybrides organo-minéraux permettant de réaliser des couches minces constituées d’empilements de nanoparticules d’oxydes métalliques.

Un procédé qui s’effectue dans des conditions de chimie douce, à des températures inférieures à celles des voies classiques de synthèse. Ces conditions offrent également la possibilité d’associer des espèces organiques et minérales pour former de nouvelles familles de composés hybrides possédant des propriétés inédites.

Une méthode particulièrement bien adaptée à la réalisation de films et revêtements, par exemple pour un traitement de surface de verre, de métal ou de matières plastiques.

Quant aux applications, elles sont très diverses :

  • Exploration pétrolière et gazeuse (ex : outils de forage).
  • Sidérurgie (ex : protection contre la corrosion)
  • Industrie textile, Industrie plastique (ex : filières revêtues offrant une résistance à l’usure accrue)
  • Secteur verrier (ex : dépôt anti-griffes)
  • Transport (ex : dépôt isolant céramique dans les chambres de combustion pour en améliorer les rendements)
  • Aéronautique (ex : barrière thermique sur les aubes de turbine)

 

Et le cladding laser? Bienvenue aux superalliages

Vous maîtrisez depuis longtemps cette technique de dépôt de couches par soudage qui consiste à déposer sur la surface de la pièce à traiter un matériau de nature différente présentant des propriétés améliorées.

traitement de surface, céramiques, BCRC, Inisma, claddingDr Fabrice Petit: le CRIBC développe depuis plus de 10 ans des solutions matériaux innovantes pour le rechargement et le dépôt de revêtements par cladding laser. La plupart des matériaux étudiés sont destinés à l’amélioration des propriétés d’usure des métaux.

Ces revêtements sont essentiellement constitués de composites de type superalliages à base Nickel ou Cobalt renforcés par une dispersion de grains céramiques (de type carbure de tungstène, alumine ou zircone) dont les dimensions varient entre quelques dizaines de µm à quelques mm.

Ces travaux furent amorcés dans le cadre du Portefeuille FEDER – Revêtement fonctionnel coordonné par l’UMons.

Une thèse (Hycolase – D. Deschuyteneer) réalisée au CRIBC en collaboration avec l’UMons, les laboratoires du BAM (Allemagne) et du VTT (Finlande) réalisée dans la période a démontré que ces matériaux présentent des résistances à l’usure presque 100 fois supérieures au métal de base sur lesquels ils sont déposés.

Laserco DT:une PME spécialisée dans le rechargement métallique

traitement de surface, céramiques, BCRC, Inisma, claddingDes matériaux équivalents sont aujourd’hui mis en œuvre couramment par la société Laserco DT spécialisée dans le rechargement, poursuit Dr Fabrice Petit.

Laserco DT est une société de Marcinelle spécialisée dans le rechargement métallique par laser de puissance, dirigée par Hugues Desmecht et qu’InnovaTech connait bien.

« Le rechargement de pièces en métal (aciers, fontes, non-ferreux), se fait par la fusion de poudre métallique au travers du faisceau laser de puissance, explique M. Desmecht. Il permet d’obtenir un joint soudé avec le substrat en limitant de façon significative l’apport calorifique : un lien métallurgique fort sans souci de déformation dimensionnelle !

Ce laser permet de recharger des pièces au moyen d’un métal d’apport choisi pour ses propriétés afin de répondre, au mieux, à leur fonction. On considère : rechargement dur ou très dur résistant à l’abrasion, l’érosion ou la cavitation, y compris avec l’adjonction de charge comme le carbure de Tungstène ou de diamant pour les activités extrêmes, rechargement contre la corrosion ou tout simplement rechargement pour recouvrer les dimensions d’origine d’une pièce usée, pour ne citer que quelques applications.

Le laser permet également, sans apport de métal, d’être utilisé pour des traitements thermiques de durcissement localisés. Nous sommes présents dans la plupart des secteurs d’activités industrielles, sidérurgie, cimenterie, industrie lourde, pétrochimie, minière, automobile, mécanique, infrastructure« .

Ces travaux ont été poursuivis dans la perspective de réaliser des dépôts composites métal/céramique de fine épaisseur (quelques dizaines de µm) par un procédé de cladding laser dit « 2-Steps », ajoute Dr Fabrice Petit. Ce procédé co-développé avec le fraunhoffer ILT (Aix-la-Chapelle) permet de déposer des revêtements sur des objets de géométrie complexe tout en garantissant des états de surface d’excellente qualité (Ra < 2 µm). Cette faible rugosité permet de s’affranchir de l’étape de finition du dépôt par post-usinage nécessaire en cladding conventionnel.

Cette nouvelle technologie offre également un niveau de finesse extrême autorisant la réalisation de dépôts sélectifs.

Quel soutien avez-vous pu apporter à Laserco DT?

traitement de surface, céramiques, BCRC, Inisma, claddingDr Fabrice Petit: Il existait une problématique de résistance à l’usure des matériaux destinés au forage pétrolier. Notre solution, apportée par le cladding laser à Laserco DT, a consisté à optimiser en collaboration avec cette PME leurs formulations composites métal/céramique ainsi que métal/diamant: composition, évaluation de la résistance à l’usure abrasive et érosive à température ambiante et haute température….

Une optimisation rendue possible grâce à la caractérisation tribologique des revêtements (frottement, usure, étude des interfaces et de la lubrification). Nous sommes en effet équipés d’un tribomètre à chaud Brüker Tribolab permettant d’évaluer la résistance à l’usure jusqu’à une température de 1000°C. Il faut savoir qu’un matériau résistant à l’usure à température ambiante peut se révéler médiocre à haute température et réciproquement.

Quelles perspectives marché pour les revêtements céramiques haute performance?

traitement de surface, céramiques, BCRC, Inisma, claddingLe marché mondial des revêtements céramiques haute performance était évalué à 7844,0 millions de dollars en 2018 et devrait atteindre 12633,3 millions de dollars en 2026, avec un taux de croissance annuel  de 6,2% de 2019 à 2026.

Les revêtements céramiques haute performance (HPCC)  peuvent résister à des températures élevées jusqu’à 15 000 ° C. Il est principalement utilisé dans l’industrie automobile, tant dans les applications intérieures qu’extérieures.

Il est principalement appliqué sur les composants de moteurs automobiles, ce qui contribue à augmenter le rendement énergétique.

La croissance rapide du secteur automobile dans les économies en développement telles que l’Inde et la Chine est le facteur clé qui alimente la croissance du marché des revêtements céramiques haute performance. De plus, les marchés de l’aviation commerciale et de l’aérospatiale et de la défense connaissent une croissance importante, ce qui devrait stimuler la croissance du marché.

Cependant, des facteurs tels que le coût de production élevé devraient freiner la croissance du marché des revêtements céramiques haute performance. D’un autre côté, les progrès technologiques tels que les progrès dans les pratiques de revêtement par pulvérisation au plasma devraient fournir des opportunités lucratives pour la croissance du marché.

Source: https://www.alliedmarketresearch.com/high-performance-ceramic-coatings-market

C’est dire l’importance de la recherche dans ces domaines.


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