Les revêtements céramiques ne se fatiguent pas
Qu'est-ce qui détermine la durabilité des revêtements à haute performance ? Des résultats surprenants le montrent : Ce n'est pas la fatigue des matériaux
Les revêtements céramiques extrêmement fins peuvent modifier complètement les propriétés des composants techniques. Les revêtements sont utilisés, par exemple, pour augmenter la résistance des métaux à la chaleur ou à la corrosion. Les processus de revêtement jouent un rôle pour les grandes pales de turbine ainsi que pour les outils extrêmement sollicités dans la technologie de production.
Des contraintes répétées entraînent généralement la fatigue des matériaux. En revanche, les couches céramiques ultrafines ne changent pas - elles ne se brisent que si la limite de charge est dépassée.
TU Wien
La TU Wien (Vienne) a étudié ce qui détermine la stabilité de ces revêtements. Les résultats, dont certains ont été obtenus au synchrotron DESY à Hambourg, sont assez surprenants : les couches de céramique se dégradent d'une manière totalement différente de celle des métaux. La fatigue du matériau ne joue pratiquement aucun rôle ; le facteur décisif est l'intensité des pics de charge extrêmes (le facteur d'intensité de la contrainte). Cette découverte va modifier la méthode utilisée pour mesurer et améliorer encore la résistance des couches minces à l'avenir.
Contraintes des millions de fois
"Dans de nombreuses applications, les charges périodiques posent un gros problème", explique le professeur Helmut Riedl, chef du groupe de recherche sur les technologies appliquées de surface et de revêtement à l'Institut de science et de technologie des matériaux de la TU Wien. "Si vous exposez des composants métalliques à une certaine force, encore et encore, des changements se produisent à l'échelle microscopique." Certains atomes peuvent se déplacer, des couches se forment et peuvent glisser les unes sur les autres, de minuscules fissures peuvent se développer et finalement conduire à la rupture de l'ensemble du composant. Ces effets de fatigue des matériaux sont omniprésents dans l'ingénierie, et ils sont bien étudiés.
En revanche, ce qui arrive aux revêtements minces soumis à des contraintes est moins clair. "Les revêtements céramiques n'ont souvent que quelques nanomètres à 10 µm d'épaisseur, leur comportement est complètement différent de celui d'une pièce de céramique solide", explique Lukas Zauner, qui prépare sa thèse au sein du groupe de recherche sur les technologies appliquées de surface et de revêtement.
Pour mieux comprendre ce comportement, des méthodes de mesure totalement nouvelles ont été mises au point à la TU Wien : au lieu de tester le métal et le revêtement céramique ensemble, comme cela se fait habituellement, l'équipe a laissé de côté le métal, a produit des échantillons extrêmement minces de divers matériaux céramiques généralement utilisés dans la technologie des couches minces et les a exposés à diverses charges d'une manière précisément définie - encore et encore, jusqu'à dix millions de fois.
Rayons X au synchrotron
Afin de savoir exactement si la structure atomique de la céramique se modifie, l'équipe a emmené le dispositif expérimental à Hambourg : le synchrotron de DESY dispose de rayons X extrêmement bien focalisés qui permettent d'examiner différents points de l'échantillon pendant l'expérience de chargement. Même de minuscules changements dans la structure cristalline ou dans la distance entre atomes voisins devraient être détectables de cette manière.
Mais étonnamment, ces mesures ont montré : La céramique ne change pratiquement pas. Même des millions de cycles de charge n'entraînent pas de fatigue du matériau. "Les céramiques standard se fatigueraient selon certains schémas, semblables au type de fatigue que nous connaissons pour les métaux. Mais ces couches extrêmement fines ne présentent pas ce comportement", explique Helmut Riedl. "Leur microstructure est la même à la fin qu'au début".
Cela signifie que la durabilité des couches minces est déterminée exclusivement par leur résistance à la rupture : Si vous dépassez une limite de charge caractéristique du matériau, alors la couche est détruite - de manière soudaine et irréversible. En revanche, toutes les charges inférieures à cette limite ne posent pas de problème, elles ne vieillissent pas la couche céramique, elles n'ont pratiquement aucun effet.
Nouvelles stratégies de recherche
"Bien sûr, cela change aussi la stratégie de conception des projets de recherche sur les nouveaux matériaux de revêtement céramique améliorés", explique Helmut Riedl. "Il n'est pas nécessaire de faire de longs essais à long terme, il suffit de déterminer par un simple test de charge quel matériau se brise sous quelle force. Il n'est pas nécessaire de se préoccuper de la manière d'atténuer éventuellement les effets de la fatigue dans le matériau, il suffit de trouver des matériaux présentant la plus grande ténacité possible à la rupture - même cela n'est pas une tâche simple en soi."
L'équipe a déjà pu trouver un excellent candidat à cet effet : une certaine forme de diborure de chrome s'est révélée étonnamment résistante lors des tests. Cela ouvre la voie à de futures recherches prometteuses qui remporteront le plus grand succès.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
L. Zauner et al.; Assessing the fracture and fatigue resistance of nanostructured thin films; Acta Materialia; Volume 239, 15 October 2022, 118260
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