Brevet FR3089235A1 — publié le 20200605

Description Titre de l'invention : Revêtement duplex anti-usure à faible co- efficient de frottement et son procédé de fabrication associé [0001] L'invention est relative à un revêtement de surface pouvant être en particulier utilisé sur des supports en alliage léger ou en composite pour leur apporter de nouvelles fonctionnalités de résistance à l'usure par abrasion combinée à un coefficient de frottement très faible, et plus particulièrement à la fabrication de tels revêtements. [0002] Dans le but de réduire les consommations d'énergie et des matières premières, diminuer le poids et le frottement des pièces mécaniques est une préoccupation majeure des ingénieurs. De nombreux revêtements mis en forme par voie humide ou par voie sèche sont appliqués pour fonctionnaliser les surfaces des composants mécaniques et leur apporter des propriétés de surface améliorées, comme par exemple une bonne résistance à l'usure et un faible coefficient de frottement, .... Nous pouvons citer, par exemple, la mise en forme, par procédé électro chimique, dc revêtement dc chrome dur pour protéger la surface des vérins utilisés pour les machines dans l'industrie ou aussi, par exemple, les trains d'atterrissage des avions. Il est à noter que pour des raisons environnementales, le chrome dur est de plus en plus remplacé par les dépôts mis en forme par procédés de projection thermique, c'est le cas pour les trains d'atterrissages d'avions où un revêtement de carbure est mis en forme par procédé de projection par flamme FIVOF (H igh Vclocity Oxy Fuel). Les revêtements mis en forme par procédés dc projection thermiques sont souvent d'épaisseurs voisines comprises entre environ 100 et 250 micromètres et sont projetés sur des aciers ou des alliages légers (aluminium, magnésium,...). Le coefficient dc frottement de tels revêtements est relativement moyen et peut être compris entre 0,4 et 0,6 (frottement avec une bille en alumine de diamètre 6mm, une charge dc ION et une vitesse de 0,1 m/s) suivant le liant utilisé pour le revêtement en base carbure (liant cobalt ou liant cobalt/ chrome par exemple)), cela est un point faible. [0003] Dans le cas où le frottement est à privilégier avec un coefficient très faible, les re- vêtements de DLC (Diamond like carbon) mis en forme par PVD (Physical Vapor De-position) sont utilisés. Il est à noter que ces revêtements caractérisés par des épaisseurs très faibles (le plus souvent inférieur à 5 micromètres), sont mis en forme sur des substrats d'acier de dureté élevé pour garantir la tenue de couche mince dans le temps. Le point faible de tels revêtements est, à cause de leur faible épaisseur, leur faible durée de vie dans le cas d'abrasion forte. [0004] Les matériaux composites sont de plus en plus utilisés dans de nombreux secteurs de l'industrie, comme celui de l'aéronautique, puisqu'ils permettent d'allier de bonnes 2 propriétés mécaniques alliées à un gain de poids élevé. Cependant leurs propriétés trihologiques et leur résistance à l'usure sont des points critiques et peut limiter les applications. [0005] La présente invention a pour but de pallier à ces inconvénients de cet art antérieur en proposant un procédé de réalisation de revêtements de surface combinant la résistance à l'usure, par abrasion en particulier, avec un coefficient de frottement extrêmement faible. Ce procédé est parfaitement adapté à la production industrielle de grandes séries et permet la réalisation de revêtement présentant des caractéristiques de résistance à l'usure par abrasion et de tenue dans le temps supérieures à celles de l'art existant. [0006] Le procédé de réalisation du revêtement servant de résistance à l'usure (avec un co- efficient de frottement très faible) sur son support métallique ou composite ou tout autre matériau est caractérisé en ce qu'il comprend au moins l'une des étapes suivantes [0007] - une étape d'activation de la surface du matériau de hase à traiter, [0008] - une étape de réalisation du revêtement couche de dureté élevée et épaisse (d'au moins plusieurs dizaines de micromètres) mise en forme par procédé de projection thermique ou par projection à froid cold spray, [0009] - une étape de finition, par exemple, par surfaçage, rectification, tribo-finition, polissage, [0010] - une dernière étape consistant à appliquer sur le revêtement couche « épaisse une couche de DLC par procédé PVD. [0011] Un tel revêtement duplex garantit une très bonne résistance à l'abrasion et un co- efficient de frottement légèrement inférieur à 0,1 (frottement avec une bille en alumine de diamètre 6rmia, une charge de ION et une vitesse de 0,1m/s). [0012] L'étape d'activation de la surface du matériau de base à traiter peut être réalisée de diverses façons ; elle peut consister à une activation mécanique avec un sablage, grenaillage, microbillage ou alors par usinage, ponçage. Ce prétraitement est destiné d'une part à nettoyer la surface à traiter et d'autre part à accroître sa surface spécifique en y créant des aspérités et rugosités pour favoriser l'accroche du revêtement. Une attaque chimique peut aussi retenue comme préparation de surface. Une sous couche d'accrochage peut aussi être réalisée pour avoir une meilleure accroche du revêtement sur le support à revêtir. [0013] Les procédés de projection thermique à la flamme (conventionnelle ou supersonique HVOF) de poudres, de fils ou de cordons, de projection plasma de poudres ou de fils, de projection à l'arc électrique ou de projection au canon à détonation utilisent la chaleur d'une source chaude (flamme, plasma ou arc électrique), qui comme le nom de « projection thermique » l'indique est caractérisée par des températures supérieures à la température de fusion du matériau projeté. La source de chaleur sert pour fondre les 3 particules du matériau projeté. Il est à noter que dans le cas de revêtements mis en forme avec des procédés peu énergétique (projection flamme par exemple), la porosité superficielle des revêtements doit être bouchée ou colmatée pour que l'on puisse appliquer la couche de finition DLC. Dans ce cas, le « colmatage » superficiel peut être mis en forme de façon efficace par procédé thermochimique. [0014] Le procédé de projection à froid cold spray utilise un gaz comprimé chauffé à des températures bien inférieures à celles utilisées en projection thermique, pour projeter à très grandes vitesses des particules de poudre sans les fondre, les énergies cinétiques mises en jeu suffisent pour assurer une déformation plastique des particules projetées à l'impact sur le support à revêtir et réaliser un revêtement. Il s'en suit que le revêtement réalisé est extrêmement dense. Suivant la nature du matériau de base projeté, il est judicieux d'y incorporer des particules dures (alumine, carbure de silicium, carbure de bore, ou autres...) afin d'accroître la résistance à l'abrasion. [0015] Les matériaux projetés pour la mise en forme de la couche « épaisse » par procédé de projection thermique ou de projection cold spray peuvent être une phase dure avec un liant comme par exemple des bases carbure avec un liant métallique ayant une bonne résistance à la corrosion, mais ne se limite pas seulement à ces matériaux. Par exemple pour des applications dans le médical pour des revêtements sur des prothèses (de genou par exemple), l'alumine peut être un bon choix. [0016] Si l'on désire réaliser un traitement sur une zone (de contact) très localisée il peut être nécessaire d'opérer avec des systèmes de masquages. L'épaisseur du revêtement pourra être comprise (suivant les applications) entre environ quelques dizaines de microns et plus d'un millimètre. [0017] Ensuite, dans un troisième temps, l'opération de surfaçage (rectification, tribo- finition, ...) et/ou de polissage de la couche déposée doit se faire pour obtenir le Ra le plus faible possible, un poli miroir étant un avantage certain pour assurer le maximum de portance et le bon comportement de la couche de DLC mise en forme sur la couche « épaisse ». [0018] Un des avantages de la méthode décrite est, qu'en plus d'utiliser un procédé propre du point de vue environnemental, elle est très reproductible et elle peut être aisément industrialisée pour permettre l'obtention de cycles de production et de coûts compatibles avec les demandes des marchés visés. [0019] Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation illustré et décrit, mais un grand nombre de variantes, applications sur des supports en acier par exemple, et de modifications peuvent être apportés sans pour autant sortir du cadre de l'invention qui peut aussi bien conduire à des avantages certains pour des secteurs aussi différents que ceux de l'aéronautique (train d'atterrissage, ...), le médical (prothèses de genou, ...), l'automobile (tiges de vérin en composite, ...). [0020] L'invention concerne un procédé de fabrication d'un revêtement duplex utilisé en surface de matériaux en alliage léger, en acier ou composite en cc qu'il comprend les étapes suivantes : [0021] - une étape d'activation de la surface du matériau de base à traiter par moyen mécanique ou chimique, [0022] - une étape de réalisation d'un revêtement par procédé de projection thermique ou de projection à froid « cold spray » pour la formation d'une couche de matériau ayant pour fonction résistance à l'usure par abrasion, [0023] - une étape de finition de surface par rectification et/ou polissage pour avoir une faible rugosité, [0024] - une ultime étape consistant à mettre en oeuvre par procédé PVD (physical vapor &- position) un revêtement DLC (diamond like carbon) sur la couche précédemment déposée. [0025] L'invention concerne également : [0026] - un procédé caractérisé en cc que le revêtement peut subir une imprégnation thermo- chimique pour boucher les porosités superficielles, [0027] - un procédé caractérisé en cc que le revêtement couche peut être à base de carbure avec un liant métallique, [0028] - un procédé caractérisé en cc que le revêtement couche « épaisse » peut être à base d'alumine, [0029] - un procédé caractérisé en ce que le revêtement duplex peut être appliqué sur un support en alliage léger ou un composite à matrice organique renforcé ou non par des fibres, [0030] - un procédé caractérisé en ce que le revêtement duplex est constitué d'une couche supérieure à quelques dizaines de micromètres présentant une bonne résistance à l'abrasion recouverte par une couche de DLC, utilisés pour les pièces mécaniques utilisées dans l'industrie. 5