Par Darrin Radatz, Ani Zhecheva et Sid Clouser

Une résistance élevée et un faible poids, associés à la capacité de former facilement un film d’oxyde de surface tenace, rendent le titane et ses alliages utiles dans de nombreuses applications dans les domaines aérospatial, industriel et médical.

Une limitation des alliages de titane est la résistance relativement faible à l’usure adhésive, qui se traduit par un grippage et un soudage à froid, un mauvais comportement de fretting et un coefficient de frottement élevé. On peut s’affranchir de cette limitation en prévoyant un revêtement de surface. Les revêtements sont également appliqués pour la réflexion de la chaleur, l’émissivité, la résistance à la corrosion dans les environnements acides chauds, la conductivité, le pouvoir lubrifiant, le brasage et le redimensionnement.

Préparation de surface

Le titane est très réactif et forme rapidement un film d’oxyde chaque fois que la surface métallique est exposée à l’air ou à tout environnement contenant de l’oxygène disponible. Cette couche d’oxyde doit être éliminée avant la galvanoplastie ou tout autre traitement de surface, mais sa ténacité rend son élimination problématique.

La rugosité de surface peut améliorer l’adhérence du revêtement et peut être réalisée par abrasion, grenaillage et gravure. La préparation de la surface est essentielle pour obtenir une adhérence robuste de tout revêtement sur le titane, car une brosse en nickel plaquée sur le film d’oxyde entraîne une mauvaise adhérence dans des zones localisées.

SIFCO Applied Surface Concepts a réalisé plusieurs expériences sur le titane pour la préparation de surface et le placage sélectif. Notre département R&D a obtenu des feuilles de titane de 1,1 mm d’épaisseur et des tubes de 0,83 mm d’épaisseur dans trois matériaux de substrat : Ti-6Al-4V, Ti-6Al-6V-2Sn et du titane de grade 2 commercialement pur, et a fini mécaniquement les surfaces en utilisant plusieurs techniques, y compris sèche ou abrasion humide, brossage métallique et sablage abrasif.

Méthodes mécaniques

La R&D a utilisé des méthodes mécaniques pour améliorer l’adhérence en augmentant la surface du substrat et en exposant une surface de titane fraîche et propre. Travail mécanique de la surface par abrasion avec des abrasifs, des brosses métalliques ou par grenaillage avec du carbure de silicium, ou de l’alumine humide ou sèche augmentation de la surface et amélioration de l’adhérence du dépôt. Mais l’adhérence n’était toujours pas suffisamment élevée pour survivre régulièrement à un test de pliage à 180°.

Gravure à l’acide

Ils ont alors entrepris d’identifier une méthode de traitement électrochimique permettant d’augmenter de manière contrôlée la surface du substrat et d’obtenir une surface sans oxyde permettant une bonne adhérence du dépôt. Le traitement électrochimique résultant comprend à la fois un électrolyte et une méthodologie de gravure/activation anodique/cathodique pour favoriser la microgravure de la surface de titane afin d’augmenter la surface et de réduire l’oxyde de surface. Ce traitement électrochimique a permis d’obtenir une excellente adhérence. La procédure de placage donnée dans le tableau 1 a été utilisée pour réaliser un dépôt de qualité.

Plusieurs facteurs contribuent à l’excellente adhérence : emboîtement mécanique, surface accrue et absence de film d’oxyde. Ces trois attributs ont été générés pendant le processus de placage au pinceau. Le placage à la brosse est particulièrement adapté pour générer ces attributs en raison du petit volume d’électrolyte, du contact étroit entre l’anode et la cathode et de la rapidité avec laquelle les électrolytes peuvent être commutés de l’activation au placage de frappe.

Les considérations importantes pour la procédure sont les suivantes :

  • Gardez le titane sous contrôle potentiel à tout moment
  • Gardez la zone plaquée couverte à 100 % par l’anode enveloppée
  • Utiliser une commutation rapide d’anodique à cathodique
  • Ne pas rincer entre les étapes
  • Ne réutilisez pas la solution.

Autres évaluations

La surface des talons en alliage de titane a été prétraitée par usinage ou grenaillage SiC, puis abrasée, décapée et activée selon le procédé du tableau 1. Un dépôt de nickel de 50 µm d’épaisseur a été déposé à partir de deux électrolytes acides. Le mode de rupture dans tous les spécimens était adhésif, à l’interface nickel-titane.

La fragilisation par l’hydrogène a été testée conformément à la norme d’ingénierie General Motors GM3661P, et tous les échantillons étaient satisfaisants pour la fragilisation par l’hydrogène, c’est-à-dire qu’aucune défaillance ou fissuration n’a été observée sur l’un des coupons.

Cette technologie a également donné de bons résultats avec l’alliage Ti-6Al-6V-2Sn, et l’adhérence du dépôt a été satisfaisante. Cependant, la procédure ne permet pas d’obtenir un dépôt avec une adhérence suffisante sur du titane de grade 2. Les dépôts sur le grade 2 ont généralement réussi les tests de bande mais ont échoué les tests de pliage.

Les travaux de recherche futurs continueront à développer des principes pour une bonne adhérence des dépôts plaqués aux alliages de titane et à identifier un procédé pour déposer des revêtements avec une adhérence améliorée sur le titane de grade 2. Le dépôt d’autres matériaux ayant une meilleure résistance à l’usure que le titane sera également étudié.