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Tribologie d'un revêtement base Cu déposé par projection à froid (cold spray) :
effet des particules renforts
Conference Paper · April 2016
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JIFT 2016 27-29 avril 2016, Ecole Nationale d’Ingénieurs de Saint-Etienne, France
TRIBOLOGIE D’UNREVETEMENT BASE CU DEPOSE PAR
PROJECTION A FROID : EFFET DESPARTICULES RENFORTS
Y. Zhang2, R.R.Chromik2, S. Descartes1
1.Univ Lyon, CNRS, INSA de Lyon, LaMCoS, F-69621 Villeurbanne
2.Dept of Miningand Materials Engineering, McGill University,Montreal, QC H3A 0C5, Canada
MOTS CLES
Projection à froid, Cold-spray, Frottement, Cuivre, Lubrifiant solide.
INTRODUCTION
Le procédé de projection dynamique à froid (« cold-spray ») permet de réaliser des
revêtementscomposites à matrice métallique (CMM). Lors de ce procédé, des particules sont
accélérées à très haute vitesse (500 à 1200 m/s), via un flux de gaz propulseur inerte pressurisé et
préchauffé à une température inférieure à la température de fusion des matériaux à projeter [1-3]. Du
aux très hautes vitesses, les revêtements ainsi formés sont très denses [2]. Obtenir des épaisseurs
importantes (plusieurs mm), pas ou peu d’oxydation, des densités proches du métal volumique sont
autant d’avantages par rapport aux dépôts réalisés par différents procédés thermiques. Le procédé de
projection à froid est aussi un mode de réparation soit sur pièces neuves en cours d’élaboration, soit
sur pièces en cours de maintenance.Certains CMMsont aussi un moyen de protection contre la
corrosion, pour les composants de pièces aéronautiques par exemple. Les phases de renforts peuvent
être des fibres (longues ou courtes) ou des particules de différentes formes, dont la composition varie
aussi selon le matériau de la matrice. Des lubrifiants solides peuvent aussi être incorporés. Les CMM
avec lubrifiants solides sont utilisés pour despièces techniques telles que les roulementsou les bagues
afin de réduire le frottement.
Le travail présenté consiste à étudier le comportement en fretting d’un dépôt de Cu-MoS2-CW
déposé par projection à froid. Les essais sont interprétés à partir des concepts tribologiques de
troisième corps.
METHODES ET MATERIAUX
Un système commercial de projection à froid (PCS800,Plasma Giken, Japan) a été utilisé pour
déposer un revêtement composite Cu-MoS2-CW sur un substrat en alliage d’aluminium. Les poudres
initiales étaient une poudre de particules sphériques de cuivre (d50 = 23 µm), une poudre de particules
en forme de« flocons » de bisulfure de molybdène (d50 = 30 µm) et une poudre de particules
sphériques de carbure de tungstène (d50=25µm). Le revêtement final est de 1mm. Il contient 4,0+/-1,2
%vol de MoS2 et 7,0+/-2,9%vol de CW. Des essais interrompus (3500 et 10 000 cycles) de frottement
en cinématique alternative ont été réalisés avec un tribomètre de type bille-plan sous une charge de
150N. Le déplacement est de +/-200µm, à une fréquence de 5Hz. Après les essais, les morphologies
de surfaces ont été analysées par microscopie électronique à balayage (MEB) couplée à la
spectrométrie X en dispersion d’énergie (EDX). Des coupes longitudinales des échantillons au niveau
des traces de frottement ont permis d'étudier les changements microstructuraux et chimiques créés lors
du glissement ; et ainsi relier le comportement du troisième corps aux évolutions du coefficient de
frottement.
RESULTATS

JIFT 2016 27-29 avril 2016, Ecole Nationale d’Ingénieurs de Saint-Etienne, France
Les essais ont été réalisés en glissement total. Après une phase de rodage d’environ 2000 cycles,
un régime stabilisé s’instaure. Il n’y a pas de fluctuations de frottement,contrairement à ce qui est
observé dans le cas d’un revêtement sans particules de CW [4].
Pendant la phase de rodage de nombreuses particules de troisième corps sont éjectées. Cela
peut s’expliquer par la présence de MoS2qui accroit le débit source [4]. Après 3500 cycles, les
observations de surfaces mettent en évidence deux morphologies type de troisième corps : un peu
cohésif, constitué de fines particules de taille de l’ordre du micromètre ; et un cohésif,d’aspect
lissé,constitué de particules fragmentées de WC plus ou moins larges (Fig 1a). Les vues en coupe au
niveau de ce troisième corps,d’épaisseur ~10µm, montrent un mélange d’agglomérats, avec
desparticules de WC dans une matrice de cuivre demicrostructure à grains ultrafins (<100 nm)(Fig.
1b). Quelques rares zones avec du MoS2ont été détectées au niveau des décohésions du troisième
corps.Sous la couche de troisième corps, une zone de Transformations Tribologiques Superficielles
(TTS) est visible, organisée en multicouches, d’épaisseur totale de l’ordre d’une vingtaine de
micromètres, présentant une microstructure plus raffinée par rapport à celle initiale. Cela met en
évidence une localisation de la déformation, due àla présence des particules de CW.En régime
stabilisé, lamicrostructure raffinée des TTS permet de générer un troisième corps avec une rhéologie
particulière et un débit source de troisième corps minimal, contrairement au cas du revêtement Cu-
MoS2 (sans particules CW).Ce mécanisme de localisation de la déformation a été également mis en
évidence dans le cas d’un composite aluminium avec des particules renforts sphériques d’alumine [5],
ainsi que l’impact sur l’évolution du frottement.
(a) (b)
Figure 1: Troisième corps formé à partir du revêtement Cu-MoS2-CW après 3 500 cycles,
(a)Vue en surface, (b) Vue en coupe
CONCLUSION
Le comportement tribologique du revêtement Cu-MoS2-CW a été relié à la présence d’un
troisième corps présentant une microstructure submicronique. Après une phase de rodage le troisième
corps formé reste facilement piégé dans le contact. Cette couche de troisième corps d’une dizaine de
micromètres protège la surface (usure réduite) et limite, voir supprime, les fluctuations du frottement
en comparaison avec un dépôt de Cu-MoS2.
Références
[1] A. Papyrin, V. Kosarev, K.V. Klinkov, A. Alkhimov, and V.M. Fomin (2007), Cold Spray
Technology, Elsevier, Amsterdam.
[2] H. Assadi, F.Gaartner, T. Stoltenho and H.Kreye (2003) « Bonding mechanism in cold gas
spraying»,ActaMaterialia, 51, pp. 4379-4394.
[3] E. Irissou, JG.Legoux, A. Ryabinin, B. Jodoin and Ch. Moreau (2008) « Review on Cold Spray
Process and Technology: Part I-Intellectual Property», Journal of Thermal Spray Technology, 17(4),
pp. 495-516.
[4] Y. Zhang, S. Descartes, P. Vo, and R.R. Chromik,(2016) «Cold sprayed Cu-MoS2 and its fretting
wear behavior», Journal of thermal spray technology, 25 (3), pp. 473-482.
[5] J. M. Shockley, S. Descartes, P. Vo, E. Irissou, R.R. Chromik(2015) «The influence of Al2O3
particle morphology on the coating formation and dry sliding wear behavior of cold sprayed Al-Al2O3
composites»,Surf. and Coat. Techn.,270, pp. 324-333.
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