Flore JASPARD-MECUSON, Thierry CZERWIEC, Gérard HENRION, Thierry BELMONTE

Transcription

1 Traitement d'alliages métalliques à haute pression Oxydation micro-arc de l'aluminium : Flore JASPARD-MECUSON, Thierry CZERWIEC, Gérard HENRION, Thierry BELMONTE Laboratoire de Science et Génie des Surfaces UMR CNRS-INPL ; NANCY ( France) Laurence DUJARDIN, Alain VIOLA Messier-Bugatti ; MOLSHEIM (France) contrat RNMP "PROXY3A"

2 Programme Introduction L'expérience Caractérisation optique du procédé vidéo rapide spectroscopie d'émission Mécanismes et cinétique de croissance Corrélations entre spectroscopie et croissance Conclusion

3 Introduction Du fait de leurs propriétés intrinsèques, les alliages d'al sont très utilisés Légèreté Bonne conductivité électrique " thermique etc Cependant, des traitements de surface sont souvent nécessaires pour améliorer certaines de ces propriétés et/ou pour élargir les champs d'application Dureté Coefficient de frottement Résistance à la corrosion Tenue à l'usure etc

4 Anodisation poreuse oxydation électrolytique de l aluminium en milieu acide film d oxyde amorphe (quelques μm) traitement en milieu acide concentré plusieurs étapes (anodisation, colmatage et/ou peinture) Oxydation par plasma électrolytique oxydation électrolytique de l aluminium par décharges film d oxyde cristallin (quelques dizaines de μm) traitement en milieu alcalin faiblement concentré une seule étape de traitement

5 Principe anodisation élaboration d un film d oxyde diélectrique 2. claquage du diélectrique décharges à la surface de la pièce traitée 3. oxydation se poursuit élaboration d un film épais et cristallin

6 Que se passe-t-il pendant le procédé PEO? Analyse optique des décharges Caractérisation des couches mécanismes et cinétiques de croissance

7 L'installation expérimentale 0-35 A / A, 100 Hz 1000 Hz Générateur de courant pulsé Ceratronic Monochromator + CCD Pompe I p Système de Refroidissement I n T Lentille Electrolyte (Na 2 SiO 3 KOH H 2 O) T < 30 C Contre-électrode Inox Echantillon alliage Al camera vidéo rapide ( images/s)

8 Aspect audio-visuel d'un traitement PEO Début du traitement (2 min) Plus tard (40 min)

9 aspect des décharges pendant un traitement "type" temps de pause : 8-10 ms (Ip = 38 A/dm², In = 18 A/dm², 100 Hz)

10 Caracterisation optique vidéo rapide 500 images/seconde 2 Temps de traitement (min) mm Taille des micro-discharges (µm) >1500

11 Taille des micro-discharges Quantité relative (%) < 100 µm < 300 µm < 400 µm < 800 µm > 800 µm Temps de traitement (min)

12 lorsque la durée de traitement augmente : 60 la densité surfacique de décharges diminue 0,5 le courant moyen par décharge augmente 50 densité surfacique de décharges (10 4.m -2 ) courant moyen dans une décharge (A) 0,4 0,3 0,2 10 0, durée de traitement (min) 0, durée de traitement (min) fin de traitement : courant par décharge élevé décharges "violentes" (Ip = 60 A/dm², In = 30 A/dm², 100 Hz)

13 Caracterisation optique Spectroscopie d'émission optique 2000 Al = constituant principal de Na l'électrode indications sur les mécanismes se produisant à la surface 1500 Intensité (u.a.) 1000 OH Al H β H α 500 Mg Cu Al + Zn Mg K O Longueur d'onde (nm)

14 1 - Etincelles (888 V) 4 étapes.2 cm Claquage de la fine couche d'oxyde (formée par anodisation) ; étincelles distribuées régulièrement ; atomes de surface évaporés 2 Début de formation de la couche d'alo x (sous l'effet des étincelles) ; signal Al décroît ; croissance continue ; Etincelles micro-arcs 3 Densité de Micro-décharges ; taille et intensité des micro-décharges Intensité (u.a.) Couche isolante épaisse ; signal Al tend vers 0 ; Micro-arcs arcs 3- Micro-arcs (920 V) 0.2 cm Al K O 4- Arcs (970 V) 0.2 cm 38 A/dm Temps (min)

15 2000 Intensité (u.a.) Al K O Temps (min)

16 "Optimisation" des conditions de traitement Rapport des courants positif et négatif Amplitude du courant positif Rapport cyclique I (t) [A] I P temps I N T 1 T 2 T 3 T 4 T 5 T 6 T 7 T q p = T 1 + T2 + T3 I 0 p.dt q n = T T + T 1 I 2 n + T 3.dt

17 temps de pause x 200 temps de pause : 8-10 ms temps de pause : 2 s (Ip = 38 A/dm², In = 22 A/dm², 100 Hz

18 "Optimisation" des conditions de traitement Rapport des courants positif et négatif Amplitude du courant positif 3500 Rapport cyclique Intensité d'émission (u.a.) Temps (min) 38 A/dm 2

19 "Optimisation" des conditions de traitement Rapport des courants positif et négatif Amplitude du courant positif Intensité d'émission (u.a.) Rapport cyclique 2 premières étapes sont réduites 2 dernières étapes plus "douces" Croissance se poursuit sans arc destructeur Temps (min) 38 A/dm 2

20 Dans ces conditions Couche plus homogène en épaisseur 75 µm 100 µm Durée de traitement = 60 min Durée de traitement = 90 min Etude des mécanismes et de la cinétique de croissance

21 Mécanismes et cinétiques de croissance Epaisseur de la couche d'oxyde (µm) J = 38 A/dm régimes de croissance Début de traitement Temps de traitement (min) Changement de régime linéaire e 0.9*t dépôt parabolique diffusion e t - 60

22 Premier régime type dépôt Micro-arc fusion de la surface Al fondu est i) éjecté vers l'électrolyte ii) oxydé ii) condensé sur la surface Aspect "volcanique" de la couche de surface

23 Second régime dominé par la diffusion O (n-) AlO x Al (n+) Al Effets thermiques (pointes thermiques)? O (n-) diffuse vers le substrat Al (m+) diffuse vers la couche d'oxyde + premier mécanisme Croissance dans les deux directions

24 Conclusion Deux régimes de croissance des couches d'oxyde d'aluminium croissance linéaire au début passage à une croissance parabolique couche est formée à partir de Al fondu puis condensé à la surface essentiellement dominé par les phénomènes de diffusion Par où circule le courant? Y a t'il une limite à la croissance? Laquelle? Oui, probablement Phénomène limitant? Croissance dominée par des phénomènes de diffusion? Quelles sont exactement les espèces qui diffusent?

25 Evolution de l'aspect des micro-décharges + variations de l'intensité spectrale de la raie d'aluminium au cours du temps corrélation mise en évidence des différentes étapes du procédé + établissement d'une relation linéaire entre les temps caractéristiques du procédé Possibilité de contrôler le procédé par spectroscopie d'émission

26 Remerciements Jacques BEAUVIR (Ceratronic) développement du générateur de courant Eric TILLOUS (LSGS) Theresa TOLL-DUCHANOY (LSGS) Elisabeth BAUER-GROSSE (LSGS) analyses MEB et discussions ANRT financement de F. JASPARD-MECUSON