SIMAC – Modifications de surface par traitements thermochimiques

Permanents : L. Pichon (Pr), J.B. Dubois (MCF), M. Drouet (IR)

Coll. DPMM-axe ENDO: P. Villechaise, J. Cormier

 

Doctorant :   Valentin Gazagne (2020 -2023) (PPNa – SIMAC), Renaud Génin (2021-2024) (P’ + LEM3-Metz)

 

Cet axe s’intéresse aux modifications de surface par traitements thermochimiques assistés par plasma basse pression et/ou par implantation ionique, dans un objectif général (mais pas exclusif) d’amélioration des propriétés mécaniques par création en surface de couches de composés (nitrures, oxydes…)  ou de solutions solides d’insertion (d’azote, d’oxygène, de carbone…). Ces études s’appuient sur deux réacteurs originaux : URANOS, réacteur de traitement assisté par plasma basse pression ; TAPIIR, réacteur d’implantation ionique en immersion plasma (PBII). Il s’agit de comprendre, en lien avec les conditions de traitement, les mécanismes de modifications chimiques et microstructurales et de les relier aux propriétés d’intérêt induites. Les techniques d’analyse relèvent de l’étude chimique des surfaces et de la caractérisation microstructurale à différentes échelles. Les propriétés d’intérêt sont ensuite testées en interne dans l’axe, au sein de P’ ou dans le cadre de collaborations externes nationales ou internationales

 

2015-2019 : Nitruration des superalliages à température modérée

Suite aux premiers succès des nitrurations à température modérée (<450°C) obtenues sur divers alliages de phase γ austénitique (ASS316L, CoCrMo), le traitement de différents superalliages à base nickel a été entrepris. Les analyses microstructurales ont permis de confirmer la formation d’une phase expansée γN (solution solide d’azote dans la phase γ initiale) et a aussi montré que certains précipités γ’, selon les alliages, incorporaient de l’azote et d’autres non. Concernant les propriétés induites, la dureté et la tenue en fatigue ont été étudiées, montrant une amélioration limitée par deux facteurs : (i) L’endommagement de surface induit par les contraintes introduites par la nitruration et (ii) la température d’usage des alliages qui doit rester faible afin d’éviter la décomposition de γN en nitrures, néfaste pour la résistance à la corrosion/oxydation. Afin de clarifier plusieurs points, ces études sur les superalliages ont été poursuivies en suivant 3 voies :

 

1)-L’étude à petite échelle des phases γ et γ’ nitrurées par différentes techniques de MET (HRTEM, STEM, HAADF, EDS) :  il a été montré que (i) la phase γ nitrurée est au final assez hétérogène, la phase γN formée se retrouvant plus ou moins décomposée en nanoprécipités de CrN. (ii) Les interfaces γ nitrurée/ γ’ restent partiellement cohérentes, d’importantes contraintes et des défauts de plasticité (dislocations, cisaillement) sont observés dans γ. (iii) Les γ’ nitrurés peuvent incorporer autant d’azote que la phase γ. Ils sont constitués de nitrures (Al,Ti,…)N finement dispersés (~nm) dans une matrice austénitique.

 

2)-L’explication des différences de comportement en nitruration des γ’: la nitruration de superalliages de composition et microstructures variées a permis de démontrer l’influence capitale de la composition des précipités γ’ dans leur comportement en nitruration. Cette influence n’est pas purement chimique mais semble plutôt relever des propriétés mécaniques des précipités γ’ . Les plus résistants au cisaillement (ceux chimiquement plus proches de Ni3Al) n'incorporent pratiquement pas d’azote car la nitruration des γ’ se fait via les défauts plastiques induits par les contraintes de compression au sein de la phase γN.

 

3)-Le contrôle de la concentration maximale en azote afin de limiter la décomposition en nitrures et les endommagements induits : les conditions accessibles de traitement n’ont pas permis d’obtenir des modifications substantielles des profils d’azote et des microstructures ; ces derniers sont, pour une profondeur nitrurée donnée, principalement définis par la chimie du matériau (étude d’alliages NiCrx). Nous avons cependant pu montrer que l’incorporation de l’azote passait par 3 stades successifs : la formation d’une première solution solide ordonnée de type Ni4N, puis la phase expansée γN puis la décomposition en CrN.

 

 

HAADF image of nitrided MC2 cross section specimen and EDSX maps of Al, Cr, Co, Ti, N and Ni ; the dash line is the surface
2018 -… : Traitement diffusionnel assisté plasma pour l’obtention de solution solide de multi-interstitiels dans les alliages à base Titane

Cette étude a été initiée dans le cadre d’une collaboration de M. Drouet avec le Department of Mechanical Engineering de DTU (Technical University of Denmark) sur le projet MixTi (Mixed interstitial phases; a novel approach to tailoring the surface properties of titanium), financé par l’état danois sur une durée de 4 ans (2017-2021). Elle se poursuit dans le cadre d’une thèse (2021-2024) financée par le Labex INTERACTIFS (incluant l’équipe ENDO) de P’ et le Labex DAMAS (LEM3 à Metz). Plutôt que de viser la formation de composés binaires (TiO2, TiN, TiC), elle s’intéresse à l’amélioration en profondeur des propriétés mécaniques de l’alliages par traitement thermochimique via la création de solutions solides de multi-interstitiels (N, O, C). Différentes techniques de traitements de surface sont testées à P’ et à DTU, visant à étudier les interactions entre éléments sur leur diffusion. Au LEM3 sera enfin testé l’impact d’un pré ou post traitement par SMAT. Les propriétés mécaniques induites et le comportement élasto-plastique seront enfin étudiés par nano et micro-indentation, test en fatigue et déformation sous MEB (LEM3).

2019-… : Comportement en nitruration des HEA

Les alliages à haute entropie (HEA) ou à multi-éléments principaux développés depuis une quinzaine d’années permettent d’envisager des applications intéressantes en remplacement des alliages usuels. La nitruration de ces HEA, déjà eux-mêmes peu connus, est très peu étudiée alors qu’elle peut induire des réponses inédites et apporter des améliorations intéressantes que notre expertise sur les alliages métalliques usuels permettra d’appréhender.

Une des difficultés actuelles est de se fournir en matière première ; une collaboration avec l’ ICMPE (Paris Est) a été initiée dans ce sens (projets ANR HEA-NitroTop 2020 et 2021 refusés). Une autre voie est de synthétiser localement les HEA au DPMM par métallurgie des poudres en collaboration avec l’axe PPNa (2 stages de Master en 2019 et 2020 ; 1 thèse 2020-2023). La thèse débute en 2020 sur la synthèse de AlxFeCoCrNi par métallurgie des poudres (frittage naturel, mécanosynthèse, compaction isostatique à chaud) et sa nitruration. Le choix de cet HEA repose sur une littérature fournie sur sa synthèse et sur la similitude des phases et éléments avec les alliages précédemment étudiés en nitruration. Les premiers résultats sont prometteurs, indiquant la formation d’une phase expansée après nitruration à température modérée, et des différences selon les phases de HEA.

A plus long terme, nous envisageons plutôt l’étude en nitruration d’autres HEA permettant d’envisager de vraies ruptures technologiques par rapport aux alliages usuels, avec des HEA basés notamment sur des éléments légers (Al, Ti, Mg…).

Collaborations externes

-Nitruration par PBII d’alliages à mémoire de forme NiTi ou d’alliages à base Fe et Ti en géométrie tube  (coll. INPE- Brésil)

-Traitement de surface (oxydation plasma, implantation ou dépôt Or, Pd, Pt) d’alliages base Ti pour des propriétés de stockage d’hydrogène (coll. I-Themba et Université de Rhodes – Afrique du Sud)

-Modifications des propriétés de luminescence d’oxyde de Si ou Al par implantation ionique (Ag, N, Ar,…) : coll. Univesité de Rhodes – Afrique du sud

 

Publications récentes

M. Drouet, L. Pichon, J.B. Dubois, E. Le Bourhis, T. L. Christiansen, Surface engineering of titanium by multi-interstitial diffusion using plasma processing

Matec web of conferences, 321 11010 (2020)


M. Ueda, C. Silva, G.B de Souza, L. Pichon, High Temperature Plasma Immersion Ion Implantation Using Hollow Cathode Discharges in Small Diameter Metal Tubes,

J. Vac Sci and Technol. B, 37(4), 042902, (2019).


F. Noli, L. Pichon, O. Ozturk, "The influence of plasma-based nitriding and oxidizing treatments on the mechanical and corrosion properties of CoCrMo biomedical alloy"

Metallurgical and Materials Transactions A, 49(4), (2018) 1383-1396


M. Topic, L. Pichon, S. Nsengiyumva, G. Favaro, M. Dubuisson, S. Halindintwali, S. Mazwi, J. Sibanyoni, C. Mtshali, K. Corin, "The effect of surface oxidation on hydrogen absorption in Ti-6Al-4V alloy studied by elastic recoil detection (ERD), X-ray diffraction and nanohardness techniques "

J. Alloys and Compounds 740 (2018) 879-886


S. Nsengiyumvaira, M. Topic, L. Pichon, C. M. Comrie, C. Mtshali, "Oxygen depth profiling by resonant backscattering and glow discharge optical emission spectroscopy of Ti6-Al-4V alloy oxidized by ion implantation and plasma based treatment "

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 384 (2016) 50-60


S. Nsengiyumva, M.L. Chithambo and L. Pichon, "Influence of argon-implantation on conventional and phototransferred thermoluminescence of synthetic quartz"

Radiation Effects and Defects in Solids, 171 (2016) 328-339


D. Manova, C. Díaz, L. Pichon, G. Abrasonis, S. Mändl, "Comparability and Accuracy of Nitrogen Depth Profiling in Nitrided Austenitic Stainless Steel"

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 349 (2015), 106-113


F. Noli, P. Misaelides, A. Lagoyannis, L. Pichon, O. Ozturk, "Use of combination of accelerator-based ion-beam analysis techniques to the investigation of the corrosion behavior of CoCrMo alloy "

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 331 (2014) 125-129


S. Chollet, L. Pichon, J. Cormier, J.B. Dubois, P. Villechaise, M. Drouet, A. Declemy, C. Templier, "Plasma assisted nitriding of Ni-based superalloys with various microstructures "

Surface and Coatings Technology, 235 (2013) 318-325


L. Pichon, J. Cormier, A. Declemy, S. Chollet, P. Villechaise, J.B. Dubois, C. Templier, "Plasma nitriding response at 400°C of the single crystalline Ni-based superalloy MC2 "

J. Mater Sci, 48 (2013) 1585-1592


A. Martinavičius, G. Abrasonis, A.C. Scheinost, R. Danoix, F. Danoix, J.C. Stinville, G. Talut, C. Templier, O. Liedke, S. Gemming, W. Moller, "Nitrogen interstitial diffusion induced decomposition in AISI 304L austenitic stainless steel”

Acta Materialia 60 (2012) 4065-4076


C. Tromas, J.C. Stinville, C. Templier, P. Villechaise, "Hardness and elastic modulus gradients in plasma-nitrided 316L polycrystalline stainless steel investigated by nanoindentation tomography”

Acta Materialia 60 (2012) 1965–1973


M. M. Silva, L. Pichon, M. Drouet, J. Otubo, "Roughness studies of NiTi shape memory alloy treated by Nitrogen Plasma Base Ion Implantation at high temperatures”

Surf. Coat. Technol. 205 (2011) S111-S114


J.C. Stinville, C. Templier, P. Villechaise, L. Pichon,"Swelling of 316L austenitic stainless steel induced by plasma nitriding"

J. Materials Science 46 (2011) 5503–5511


L. Pichon, S. Okur, O. Ozturk, J.P. Rivière, M. Drouet,"CoCrMo alloy treated by floating potential plasma assisted nitriding and plasma based ion implantation : influence of the hydrogen content and of the ion energy on the nitrogen incorporation"

Surf. Coat. Technol. 204 (2010) 2913-2918

Voir aussi dans «Surfaces – Interfaces et Matériaux sous Contrainte – SIMAC»

SIMAC – Propriétés mécaniques de films minces nanostructurés SIMAC – Surface sous contraintes