Microstructures et interfaces céramique/métal obtenues par dépôt physique : vers une conception architecturée des systèmes revêtus multi-matériaux. Contribution au contrôle des propriétés des dépôts épais à base de céramique

Les travaux résumés dans ce mémoire offrent une synthèse de l’activité de recherche de VincentGUIPONT, chercheur permanent ARMINES au Centre des Matériaux (UMR 7633) de MINES ParisTechdepuis 1996. Ses travaux s’intègrent dans l’activité de recherche « revêtements et traitements de surfaces »du C2P (Centre de Compétence en Procédés de Projection) au sein de l’équipe SIP (Surfaces-Interfaces-Procédés). Ils constituent une contribution dans le domaine du Génie des Matériaux qui estessentiellement dédiée aux dépôts épais issus de poudre projetée en atmosphère neutre ou réactive grâceà l’emploi d’une enceinte multi-procédés de projection plasma CAPS. Cette contribution est portée parl’étude approfondie des microstructures et interfaces céramique/métal obtenues par CAPS, et donc ons’intéresse nécessairement à la maîtrise du procédé de projection plasma en atmosphère contrôlée,notamment pour la maîtrise de la porosité ou de la réactivité in situ. A ce procédé de mise en forme àl’état liquide sont venus s’ajouter d’autres procédés de projection basés sur d’autres modes detransformations de la matière. Ce peut être à l’état solide dans le cas du procédé de projection dynamiquepar gaz froid ou « cold spray » ou à l’état gazeux dans le cas du procédé EB-PVD. L’ensemble de cesprocédés physiques en voie sèche offrent de nombreux modes d’élaboration dont certains encoreinexplorés pour la synthèse de revêtements multi-matériaux par apport incrémental de matière. Dans cetexposé des travaux, on passe en revue les différentes voies d’élaboration exploitées pour la mise au pointde microstructures « composites » de dépôt et des interfaces hétérogènes substrat/dépôt qui en résultent,plus particulièrement les interfaces céramique/métal. Ceci permet d’introduire une approchearchitecturée des systèmes de revêtements issus de matière projetée.Après une description générale de la thématique, trois parties sont présentées. La première traite de lamise-en-oeuvre des structures composites par projection thermique par plasma ou à froid par cold sprayen fonction de l’atmosphère contrôlée et de la réactivité associée. La seconde partie met en avant lescaractéristiques et propriétés des dépôts associées à la nature composite de la microstructure. Enfin, dansla troisième partie, l’aspect adhérence & fissuration est abordé par l’exposé des travaux au sujet dudéveloppement de l’essai d’adhérence LASAT (Laser Shock Adhesion Test) appliqué aux dépôtscéramiques obtenus par dépôt physique.Dans la première partie, l’accent est mis sur l’effet de la pression en projection plasma CAPS (modeHPPS) dont on résume les conditions opératoires à partir d’expérimentations sans poudre ou avecpoudre pour l’obtention de dépôt. On introduit alors les différentes voies d’obtention de dépôts multiphasésà base de céramique selon les transformations subies par la poudre pendant le dépôt en modeneutre ou réactif, par co-projection ou post-traitement d’imprégnation par exemple. La porosité est traitéecomme une phase à part entière ce qui permet d’exploiter une approche « composite » pour les dépôtsCAPS d’une céramique monophasée poreuse dont on entend exploiter l’architecture du réseau de porespour les propriétés d’usage. C’est pourquoi dans la seconde partie on aborde les caractéristiquesmorphologiques des microstructures de dépôts projetés essentiellement au travers de l’étude 2D et 3D dela porosité de dépôts plasma céramiques. L’aspect morphologie 3D (porosité, morphologie de particulesdéposées) est aussi introduit dans le cas des microstructures de dépôts cold spray qui sont encore peuétudiées actuellement. De ces connaissances de la distribution de la matière, une contribution est donnéesur l’estimation et la mesure des caractéristiques et propriétés mécaniques ou électriques pour lesdifférentes microstructures composites élaborées. La troisième partie est une démonstration de l’essaid’adhérence LASAT appliqué aux dépôts céramiques épais par plasma ou EB-PVD. On décrit en premierles modalités de ce nouvel essai et les retombées avérées et envisagées du diagnostic de la décohésioninterfaciale par la « tache blanche ». Ce diagnostic est introductif à un nouveau mode d’essai LASAT : leLASAT-2D fondé sur la mesure du diamètre de décohésion dont on expose dans ce mémoire les derniersdéveloppements qui concernent à la fois les aspects expérimentaux et numériques. Ces travaux surl’adhérence permettent de mieux fonder la notion de conception d’interface ou « design d’interface ». Ils’agit de toutes opérations visant à modifier les caractéristiques morphologiques, physico-chimiques oumécaniques d’une interface d’un revêtement avant ou après sa réalisation.Ainsi en combinant le « design d’interface » et la mesure de l’adhérence par LASAT, on positionne leprojet de recherche qui sera dédié à l’élaboration de systèmes revêtus par voie physique à base decéramique avec tenue mécanique interfaciale amélioré