Une équipe internationale de chercheurs a résolu un phénomène déroutant où étrangement belle, des structures de type vortex apparaissent entre les matériaux déposés sur des composants d'ingénierie utilisés dans de multiples contextes, des navettes spatiales aux articles ménagers et aux véhicules de transport quotidiens.

La découverte pourrait à terme améliorer l'efficacité du processus de dépôt par « pulvérisation à froid » (CS) à partir duquel ces structures sont formées - une considération non négligeable d'un point de vue financier, ou d'un fonctionnel étant donné que certains des matériaux créés par CS sont poussés à la limite dans l'espace.

La découverte est présentée sur la couverture du journal international, Matériaux et conception.

Projection à froid (CS) et efficacité de dépôt (DE)

CS permet la formation de revêtements, typiquement métallique, sur un matériau de substrat. La technique est très utile car elle ne nécessite pas que les ingénieurs atteignent la température de fusion des matériaux pour combiner les revêtements et les substrats.

Des particules (ou de la poudre métallique) d'un diamètre typique d'environ la moitié de la taille d'un cheveu humain sont propulsées à des vitesses supersoniques via un gaz d'accélération sur une surface de substrat.

La déformation plastique est la clé de ce processus; chaque minuscule particule se déforme à l'impact et déclenche un processus de liaison complexe qui entraîne l'adhésion du substrat et l'adhésion particule-particule après la formation d'une première couche de dépôt.

Cependant, toutes les particules n'adhèrent pas. L'efficacité de dépôt (DE) mesure le rapport entre le dépôt et le rebond. Par exemple, un DE de 50 % signifie que seulement 50 % du flux entrant de particules ont adhéré à la zone de revêtement.

L'inefficacité du processus est un obstacle majeur étant donné qu'il s'agit d'une technique coûteuse, l'augmentation de l'efficacité (et la réduction des coûts) est donc un axe de recherche clé.

Les structures en forme de vortex

Depuis un certain temps, les ingénieurs observent d'étranges, des structures de type vortex à l'emplacement de l'interface, entre les revêtements et les substrats. Ils sont beaucoup plus petits que les particules, qui présentait une énigme :quels sont-ils et comment se forment-ils ?

Quoi de plus, ces structures n'apparaissent pas toujours et, quand ils le font, ils apparaissent de façon plutôt aléatoire.

Rocco Lupoi, Professeur assistant à la Trinity College Dublin's School of Engineering, qui est le chef de chantier, fait équipe avec des collègues proches et des experts en Chine, les Etats Unis, République tchèque et avec le Laboratoire de microscopie avancée (AML) à Trinity pour résoudre le casse-tête.

Il a déclaré:"Nous avons découvert que les vortex d'interface ne se forment que lorsque le processus CS ne fonctionne pas très bien, et a donc de faibles valeurs DE. Sous une faible efficacité de dépôt, la plupart des particules pulvérisées rebondissent après leur impact. En provoquant une déformation plastique sévère du revêtement de la première couche et du substrat, il en résulte un « effet de marteau », ce qui conduit à la formation des tourbillons.

"Cette formation dépend également de la combinaison revêtement-substrat où les matériaux de revêtement doivent avoir une densité suffisamment élevée pour générer suffisamment d'énergie pour créer une grande déformation plastique du revêtement et du substrat de la première couche. De plus, les matériaux du substrat ne peuvent pas être trop durs pour qu'une déformation plastique puisse y être induite.

"Potentiellement, notre découverte peut aider à améliorer l'adhérence entre les revêtements projetés à froid et les substrats. Pour en profiter, tout en maintenant une économie de processus raisonnable, on pourrait d'abord créer une interface de mélange par dépôt à faible teneur en DE, suivi de la production du revêtement à l'aide de paramètres de traitement optimisés."

Shuo Yin, Professeur adjoint à la Trinity's School of Engineering, qui est le premier auteur de l'article et le scientifique principal de ce travail a ajouté:"Ce fut un grand effort multidisciplinaire et a mis en lumière un phénomène qui avait intrigué la communauté pendant un certain temps. Le processus CS ne fonctionne pas via la fusion de la matière première, ce qui est avantageux car cela signifie qu'il est limité aux zones non affectées par la chaleur, changements microstructuraux, ou des distorsions dont il faut se soucier sur les produits finaux.

"Malgré les progrès, CS reste un processus en cours de développement, une partie de notre travail est donc axée sur l'amélioration des performances de dépôt, la qualité du revêtement et la résistance de la liaison substrat-revêtement. Nous espérons que cette découverte ouvrira la porte à d'autres améliorations sur ce front."