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 aubes de turbine ainsi que pour les outils extrêmement sollicités dans la technologie de production.
TU Wien (Vienne) a maintenant étudié ce qui détermine la stabilité de tels revêtements. Et les résultats, dont certains ont été obtenus au synchrotron DESY de Hambourg, sont assez surprenants : les couches de céramique se décomposent d’une manière complètement différente des métaux. La fatigue des matériaux joue à peine un rôle ; le facteur décisif est l’intensité des pics de charge extrêmes (ce que l’on appelle le facteur d’intensité de contrainte). Cette découverte changera la méthode utilisée pour mesurer et améliorer encore la résistance des couches minces à l’avenir.
L’étude est publiée dans Acta Materialia.
Stressé des millions de fois
« Dans de nombreuses applications, les charges périodiques sont un gros problème », déclare le professeur Helmut Riedl, chef du groupe de recherche sur les technologies appliquées de surface et de revêtement à l’Institut de science et 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 une échelle microscopique. » Certains atomes peuvent se déplacer, des couches se forment qui peuvent glisser les unes sur les autres, de minuscules fissures peuvent se développer et finalement conduire à la fracture de l’ensemble du composant. De tels effets de fatigue des matériaux sont omniprésents en ingénierie et ils sont bien étudiés.
Ce qui arrive aux revêtements minces sous contrainte est cependant moins clair. « Les revêtements en céramique ne mesurent souvent que quelques nanomètres à 10 µm d’épaisseur, leur comportement est complètement différent de celui d’une pièce solide en céramique », explique Lukas Zauner, qui travaille sur sa thèse dans le groupe de recherche sur les technologies de surface et de revêtement appliquées.
Pour mieux comprendre ce comportement, de toutes nouvelles méthodes de mesure ont été développées à la TU Wien : au lieu de tester ensemble le métal et le revêtement céramique, comme cela se fait habituellement, l’équipe a laissé de côté le métal, a produit des échantillons extrêmement fins de divers matériaux céramiques généralement utilisés. dans la technologie des couches minces et les a exposés à diverses charges d’une manière définie avec précision, encore et encore, jusqu’à dix millions de fois.
Rayons X au synchrotron
Afin de savoir exactement si la structure atomique de la céramique change en conséquence, l’équipe a emmené le montage expérimental à Hambourg : là, des rayons X extrêmement bien focalisés sont disponibles au synchrotron de DESY, qui peut être utilisé pour examiner différents points de l’échantillon au cours de l’expérience de chargement. Même de minuscules changements dans la structure cristalline ou dans la distance entre les 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 des matériaux. « La céramique standard se fatiguerait selon certains modèles, similaires au type de fatigue que nous connaissons des métaux. Mais ces couches extrêmement minces 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, la couche est détruite, de manière soudaine et irréversible. Cependant, toutes les charges inférieures à cette limite ne sont pas un problème, elles ne vieillissent pas la couche de céramique, elles n’ont pratiquement aucun effet.
De nouvelles stratégies de recherche
« Bien sûr, cela modifie également la stratégie de conception des projets de recherche pour de nouveaux matériaux de revêtement céramiques améliorés », déclare Helmut Riedl. « Vous n’avez pas besoin de faire de longs tests à long terme, il suffit de savoir par un simple test de charge quel matériau casse sous quelle force. Vous n’avez pas à vous soucier de la manière d’atténuer éventuellement les effets de fatigue dans le matériau, vous il suffit de trouver des matériaux avec la ténacité à la rupture la plus élevée possible – même ce n’est pas une tâche simple en soi. »
L’équipe a déjà trouvé un excellent candidat pour cela : 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 remportent le plus grand succès.
Plus d’information:
L. Zauner et al, Évaluation de la résistance à la rupture et à la fatigue des couches minces nanostructurées, Acta Materialia (2022). DOI : 10.1016/j.actamat.2022.118260