Elaboration and characterization of coatings prepared by plasma electrolytic oxidation on titanium alloy TA6V
Elaboration et caractérisations de revêtements élaborés par oxydation micro-arcs sur alliage de titane TA6V
Résumé
Surface treatments are often needed for metallic materials in order to improve their performances and broaden their scope of applications. TA6V (or grade 5) titanium alloy is used in many fields (going from biomedical to aeronautical parts) because it is light and possesses good anticorrosion and thermal properties. Nevertheless its tribological behavior needs substantial improvements that a coating may provide. The aim of this work was to prepare, using Plasma Electrolytic Oxidation (PEO), coatings on TA6V in order to improve its tribological properties. PEO is a recent and innovative electrochemical oxidation process for which growth mechanisms and accurate influence of operating parameters such as electrolyte composition or applied electrical signal, still need clarification. Systematic study of several electrolytes led to the preparation of adherent coatings with thicknesses between 5 and 60 µm. These coatings result from both electrochemical conversion of the substrate and incorporation of compounds from the electrolyte. They are composed of an amorphous phase, its proportion depending directly on the silicates quantity in the bath, and crystalline phases formed after the important rise of surface temperature during treatment. The understanding of correlations between electrolyte and coatings have limited the formation of the soft amorphous phase and favored hard crystalline structures, leading to an optimized electrolyte. The study of electrical parameters, such as frequency or treatment time, highlighted their strong influence on the coatings composition and morphology. The duty cycle influenced the chemical composition of the coatings, promoting the formation of crystalline alumina. Finally coatings prepared with PEO were mechanically tested. The presence of crystalline phases allowed the increase of the coatings Vickers hardness compared to the bare TA6V. Nevertheless, due to the PEO coatings roughness, a step of mechanical polishing post-treatment appeared necessary in order to reduce the friction coefficient and wear loss. Finally, the understanding of correlations between process parameters and coatings properties, has successfully led to the preparation of a coating with promising tribological properties, namely a friction coefficient below 0.3 and a wear loss inferior to 0.01 mm3 after 100,000 cycles, demonstrating a significant improvement in surface mechanical properties of the TA6V substrate.
Les traitements de surface sont souvent nécessaires pour améliorer les performances des matériaux métalliques et élargir les spectres de leurs applications. L'alliage de titane TA6V (ou grade 5) est ainsi utilisé dans de nombreux domaines (du biomédical à l'aéronautique) car il est léger et possède de bonnes propriétés en anticorrosion et de résistance à la température. Cependant, son comportement tribologique est en fait médiocre et doit donc être amélioré à l'aide d'un revêtement. L'objectif de ces travaux a été d'élaborer par Oxydation Micro-Arcs (OMA), des revêtements sur substrat TA6V, afin d'en améliorer les propriétés tribologiques. L'OMA est un procédé d'oxydation électrochimique innovant et récent, pour lequel restent à clarifier les mécanismes de croissance des revêtements et l'influence exacte de certains paramètres opératoires, en particulier la composition de l'électrolyte ou le signal électrique imposé. L'étude systématique de différents électrolytes a tout d'abord permis d'élaborer des revêtements adhérents, avec des épaisseurs comprises entre 5 et 60 µm. Ces revêtements résultent de la conversion électrochimique du substrat et de l'incorporation d'espèces depuis l'électrolyte. Ils sont composés d'une phase amorphe, dont la proportion dépend directement de la quantité de silicates dans le bain, et de phases cristallisées formées suite à l'élévation importante de la température surfacique lors du traitement. La compréhension des corrélations entre électrolyte et revêtement a notamment permis de limiter la formation de la phase amorphe molle et de favoriser celle de structures cristallines dures, menant au final à un électrolyte optimisé. L'étude des paramètres électriques, tels que la fréquence ou le temps de traitement, a mis en évidence par ailleurs leur influence importante sur la composition et la morphologie des revêtements. La modification du rapport cyclique a ainsi permis de modifier la composition chimique du revêtement, en favorisant la formation d'alumine cristallisée au sein de celui-ci. Enfin, ces revêtements ont été caractérisés du point de vue mécanique. La présence de phases cristallisées dans le revêtement a permis d'en augmenter la dureté, en comparaison du substrat de TA6V. Toutefois, à cause de la rugosité élevée des revêtements élaborés par OMA, il est apparu indispensable d'effectuer un post-traitement de polissage mécanique pour réduire le coefficient de frottement et le volume de matière usée. Au final, la compréhension des corrélations entre paramètres opératoires et propriétés du revêtement a permis d'élaborer avec succès un revêtement aux propriétés tribologiques très prometteuses, c.-à-d. un coefficient de frottement inférieur à 0,3 et un volume usé inférieur à 0,01 mm3 après 100 000 cycles, démontrant une amélioration significative des propriétés mécaniques surfaciques du substrat TA6V.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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