Étapes clés de préparation de surface avant un revêtement TBC fiable
Du point de vue de l’ingénierie de surface et de l’assurance qualité, la préparation du substrat en superalliage avant l’application d’un revêtement barrière thermique (TBC – Thermal Barrier Coating) est sans doute encore plus critique que le procédé de revêtement lui-même. Toute contamination, morphologie inadaptée ou dommage sous-jacent issu de la préparation entraînera inévitablement une défaillance prématurée du TBC, quelle que soit la qualité du dépôt. La procédure est une séquence rigoureusement contrôlée à plusieurs étapes, conçue pour garantir une adhérence parfaite et une stabilité à long terme de l’ensemble du système de revêtement.
Étapes critiques de préparation de surface
1. Dégraissage et nettoyage chimique
Cette première étape élimine tous les contaminants organiques, huiles et résidus issus du processus de fabrication, y compris ceux provenant de l’usinage CNC et de la manipulation.
Procédé : Comprend le dégraissage par vapeur, le nettoyage alcalin ou le nettoyage ultrasonique dans des solvants spécialisés.
Justification : Tout résidu d’hydrocarbure crée une couche limite faible empêchant le contact métallique intime nécessaire à la couche d’accrochage, et constitue une source potentielle de vides et de points d’initiation de spallation.
2. Activation mécanique de surface (grenaillage)
Étape fondamentale visant à créer la topographie optimale pour l’ancrage mécanique du revêtement.
Procédé : Le composant est projeté avec un abrasif à arêtes vives (généralement de l’alumine) à une pression et un angle contrôlés. Ce procédé est normalisé afin d’obtenir une rugosité de surface (Ra) spécifique, généralement comprise entre 3 et 5 micromètres (120–200 micro-pouces).
Justification : La surface rugueuse augmente considérablement la surface de liaison et crée des ancrages mécaniques pour la couche d’accrochage. Elle écrouit également la couche superficielle, ce qui peut être bénéfique. Le procédé doit cependant être contrôlé pour éviter l’incrustation de médias ou une déformation excessive pouvant être néfaste.
3. Nettoyage chimique final et désincrustation oxydique
Après le grenaillage, un second nettoyage chimique, plus précis, est essentiel.
Procédé : Implique souvent une attaque acide ou un traitement de désactivation chimique pour éliminer les contaminants microscopiques restants, les particules de grenaillage incrustées et la fine couche d’oxyde formée après le grenaillage.
Justification : Le grenaillage expose un métal frais et hautement réactif qui s’oxyde immédiatement. Cet oxyde natif, mal adhérent, doit être éliminé juste avant l’application de la couche d’accrochage pour garantir une surface métallurgiquement propre. Pour les superalliages à base de nickel tels que l’Inconel 718, un traitement de désincrustation à faible acidité est souvent utilisé.
4. Application de la couche d’accrochage (Bond Coat)
Bien que la couche d’accrochage fasse partie intégrante du système de revêtement, son application constitue l’étape finale et la plus critique de la préparation de surface avant le dépôt céramique.
Procédé : La couche d’accrochage (généralement un alliage MCrAlY ou un aluminure de diffusion) est appliquée par un procédé contrôlé tel que la projection plasma sous vide (VPS) ou le dépôt physique en phase vapeur assisté par faisceau d’électrons (EB-PVD).
Justification : Cette couche remplit deux fonctions principales : 1) fournir une résistance à l’oxydation par formation d’une couche d’alumine (Al₂O₃) stable et à croissance lente (TGO), et 2) atténuer le décalage du coefficient de dilatation thermique entre le substrat métallique et la couche céramique supérieure. L’application doit être réalisée dans un environnement propre et sans oxygène (vide ou gaz inerte) afin d’éviter la formation d’oxydes instables pendant le dépôt.
5. Activation de surface de la couche d’accrochage (optionnelle mais critique)
Avant l’application de la couche supérieure en YSZ, la surface de la couche d’accrochage peut subir un conditionnement final.
Procédé : Un léger grenaillage ou un traitement thermique contrôlé permettant de rugosifier légèrement la surface et d’assurer un état chimique optimal pour l’adhésion du TBC.
Justification : Cela favorise une rugosité fine et homogène sur la couche d’accrochage, renforçant l’ancrage mécanique de la couche céramique et assurant une nucléation uniforme du TGO.
Considérations d’ingénierie et de contrôle qualité
Spécificité du matériau : Les produits chimiques de nettoyage et les paramètres d’attaque acide sont adaptés au substrat en superalliage spécifique afin d’éviter toute attaque sélective ou corrosion localisée des phases critiques.
Validation et traçabilité du procédé : Chaque étape doit être documentée et validée. Pour les composants aéronautiques, cela est régi par des normes strictes telles que NADCAP. Le lot de médias de grenaillage, la propreté et les paramètres de procédé sont tous enregistrés pour assurer la traçabilité.
Opérations critiques dans le temps : Le délai entre le nettoyage final et l’application de la couche d’accrochage (en particulier pour VPS/EB-PVD) est minimisé — souvent à quelques heures — pour éviter la ré-oxydation de la surface soigneusement préparée.
Inspection pré-revêtement : Le substrat est inspecté rigoureusement après préparation par examens visuels, dimensionnels et parfois par ressuage afin de vérifier l’absence de défauts, la rugosité adéquate et la propreté avant l’entrée dans la chambre de dépôt.
