Le guide de l'oxydation électrolytique au plasma (PEO)

L'histoire de la métallurgie n'a été qu'une quête de l'alliage parfait. L'homme a toujours cherché le métal le moins cher, le plus léger et pourtant le plus résistant.

Or, une telle chose n'existe pas. Les métaux légers et bon marché ne sont pas résistants. Les métaux légers et résistants ne sont pas bon marché. Vous voyez l'idée.

Le procédé d'anodisation a constitué un pas en avant. Il transforme les métaux légers et les rend résistants à la corrosion, donc plus solides. Il doit toutefois composer avec des émissions toxiques et la courte durée de vie de ses composants.

À la fin du XXe siècle, les ingénieurs ont découvert le revêtement par oxydation électrolytique au plasma. Des ajustements restent bien sûr possibles. Les scientifiques s'attendent néanmoins à ce que ce procédé change la façon dont l'humanité traite les métaux.

Qu'est-ce que l'oxydation électrolytique au plasma (PEO) ?

L'oxydation électrolytique au plasma (PEO) est une méthode permettant de créer des couches d'oxyde céramique sur les métaux. On l'appelle aussi oxydation par micro-arc (MAO) et oxydation électrolytique au plasma (EPO).

Ce procédé s'inspire de l'anodisation. Il consiste également à immerger la pièce métallique dans une solution d'électrolyte. La principale différence est que la PEO utilise des potentiels plus élevés et génère donc un champ électrique plus intense.

Il en résulte des décharges et des étincelles au sein de la solution, qui modifient la structure de la pièce traitée. La couche externe du métal est chimiquement convertie en son oxyde, qui se développe vers l'intérieur et vers l'extérieur à partir de la surface.

Les fonctions de l'oxydation électrolytique au plasma

Les revêtements obtenus par le procédé d'oxydation électrolytique au plasma confèrent plusieurs caractéristiques aux métaux.

Pour commencer, ils les rendent plus résistants à l'usure, à la chaleur et à la corrosion. Autrement dit, des métaux plus faibles (et moins chers) deviennent plus solides.

Les couches d'oxyde céramique obtenues par PEO offrent également une stabilité chimique. Les métaux traités ne réagiront pas avec l'environnement. Ils conserveront donc plus longtemps leurs propriétés utiles dans des conditions normales.

Enfin, ces métaux améliorent leurs capacités d'isolation électrique. Ils peuvent ainsi répondre à des usages nouveaux et soumis à une forte usure.

• Plus résistants à l'usure
• Plus résistants à la corrosion
• Plus résistants à la chaleur
• Chimiquement stables
• Isolés électriquement

Une histoire en évolution

Comme mentionné, l'ancêtre de l'oxydation électrolytique au plasma est l'anodisation. Ce type de passivation électrolytique a été utilisé pour la première fois à l'échelle industrielle dans les années 1920. Il a trouvé une application majeure dans l'architecture.

Dans les années 1960, toutefois, l'anodisation a été en grande partie supplantée par la peinture en poudre. Ce procédé était plus rapide, moins polluant et les couches de protection qu'il offrait étaient plus épaisses.

C'est la course à l'espace qui a ramené l'attention des scientifiques vers l'oxydation en bain. Au début des années 1970, des ingénieurs soviétiques ont découvert la PEO et ont commencé à l'expérimenter. Quinze ans plus tard, des pièces revêtues par PEO équipaient la station spatiale Mir.

Le procédé est toutefois resté en grande partie imprévisible. Même à l'aube du nouveau siècle, la réalité ne semblait pas correspondre aux prédictions des laboratoires. L'écart entre les résultats théoriques et expérimentaux était trop grand pour crier victoire.

Récemment, cependant, quelques entreprises comme Keronite et IBC y sont parvenues. Elles affirment avoir affiné ce procédé imprévisible et coûteux. Il serait désormais, selon elles, industriellement viable.

Les avantages du revêtement par oxydation électrolytique au plasma

Le procédé d'oxydation électrolytique au plasma présente de nombreux avantages par rapport à l'anodisation.

Le revêtement céramique qu'il produit atteint le stade de la cristallisation, ce qui signifie un produit final plus résistant.

Le prétraitement du matériau est également bien plus simple. Contrairement à l'anodisation, la plupart des composants ne nécessitent qu'un léger dégraissage pour être prêts pour la PEO.

Dans ce procédé, les électrolytes utilisés peuvent transmettre certaines de leurs propriétés à la céramique. Ils peuvent donc être modifiés selon l'usage prévu de la pièce obtenue.

De plus, il s'agit d'un procédé respectueux de l'environnement. L'ensemble de la procédure est propre, exempt de métaux lourds.

En bref, la PEO est meilleure que l'anodisation parce que :

• Elle produit un résultat plus résistant, grâce à la cristallisation
• Son prétraitement est bien plus simple
• La céramique intègre les propriétés des électrolytes
• C'est un procédé propre

Les inconvénients du revêtement par oxydation électrolytique au plasma

Comme pour toute nouvelle méthode, les revêtements par oxydation micro-arc peuvent encore être améliorés.

Par exemple, comparé à des procédés traditionnels comme l'anodisation, il reste onéreux. Tout bien considéré, le coût de revêtement d'1 m² de métal est de 2 à 5 $.

Le procédé exige également une température et une pression très élevées. Cela influe à son tour sur la quantité d'énergie nécessaire au fonctionnement de l'équipement. En outre, cela réduit la durée de vie des électrolytes.

Dans l'ensemble, le PEO n'est peut-être pas encore prêt pour de vastes applications industrielles. Voici pourquoi :

Le procédé exige également une température et une pression très élevées. Cela influe à son tour sur la quantité d'énergie nécessaire au fonctionnement de l'équipement. En outre, cela réduit la durée de vie des électrolytes.

Dans l'ensemble, le PEO n'est peut-être pas encore prêt pour de vastes applications industrielles. Voici pourquoi :

• Nécessite une température et une pression élevées
• Consomme une grande quantité d'énergie
• Exige le remplacement continu des électrolytes
• C'est trop cher

Quels métaux peuvent être oxydés par micro-arc ?

L'oxydation micro-arc agit spécifiquement sur les métaux valves, ainsi que sur la plupart de leurs alliages. Que sont les métaux valves ? Il s'agit d'un groupe qui comprend l'aluminium, le magnésium, le titane, le zirconium, le tantale, le niobium, le hafnium et le cobalt.

Leur principale caractéristique est qu'ils produisent naturellement une couche d'oxyde passivante. Ce que fait le PEO, c'est convertir cet oxyde en formes cristallines, bien plus dures.

En pratique, le procédé est utilisé pour les alliages d'aluminium, de magnésium et de titane. Les autres métaux cités sont bien plus coûteux.

En résumé, ces métaux peuvent être oxydés par micro-arc :

• Aluminium
• Magnésium
• Titane
• Zirconium
• Tantale
• Niobium
• Hafnium
• Cobalt
• La plupart de leurs alliages

Exemples de produits d'application

En raison des propriétés extraordinaires que le PEO confère aux métaux légers, il offre un large éventail d'applications. Toutefois, en raison de son coût élevé, son emploi est resté quelque peu limité.

Aérospatiale, les entreprises militaires, médicales et technologiques figurent parmi ses utilisateurs.

Par exemple, les entreprises aérospatiales appliquent un revêtement PEO sur leurs alliages légers pour les rendre plus résistants. L'armée américaine l'a testé sur les têtes de pistons et les pompes à carburant des Humvees. Ces pièces ont gagné en résistance à la chaleur et en durée de vie. Le domaine médical emploie également l'oxydation micro-arc pour fabriquer de meilleures prothèses de remplacement osseux. Les entreprises technologiques revêtent leurs coques de téléphone mobile de PEO.

Le PEO a été appliqué, entre autres, à :

• Pièces aérospatiales
• Pièces de véhicules militaires
• Prothèses de remplacement osseux
• Coques de téléphone mobile

Comment revêtir une pièce avec la méthode d'oxydation électrolytique au plasma ?

La méthode d'oxydation électrolytique au plasma est un procédé complexe. Elle exige une préparation minutieuse et les étapes suivantes.

Étape 1. Dégraissage

Pour que le procédé fonctionne, les substrats – c'est-à-dire les métaux sur le point d'être revêtus – doivent se présenter sous leur forme la plus pure. Les taches et la saleté ont des conséquences négatives sur le résultat. Ainsi, bien qu'il paraisse propre, le métal subit une procédure de dégraissage.

Tout d'abord, le dégraissage implique l'utilisation d'un papier de verre extrêmement fin. Le spécimen métallique en ressort poli jusqu'à obtenir un fini miroir.

Ensuite, la pièce est nettoyée aux ultrasons dans de l'acétone, de l'éthanol et de l'eau distillée. Une fois les particules adhérentes éliminées, le métal est prêt pour le traitement.

Étape 2. Oxydation micro-arc

Un élément clé du traitement MAO est la cellule électrolytique. Celle-ci comporte à son tour trois composants : un électrolyte et deux électrodes (cathode et anode).

Le métal à transformer fait office d'anode, et la cathode est généralement une plaque d'acier inoxydable.

Ces deux pièces sont immergées dans une solution électrolytique aqueuse. Cet environnement liquide peut varier selon les propriétés requises pour le matériau obtenu. Par exemple, une expérience menée par des scientifiques chinois et coréens a employé du carbonate de sodium, du phosphate de sodium et de l'acétate monohydraté. Pour produire les décharges nécessaires, ils ont utilisé une alimentation à impulsions.

La tension était comprise entre 200 et 500 V, la fréquence d'impulsion était de 900 Hz, le rapport cyclique était de 3 % et la durée, de 5 minutes.

Étape 3. Colmatage

Après l'oxydation micro-arc, l'échantillon est de nouveau lavé à l'eau distillée. Puis, il est laissé à sécher à température ambiante.

Cette dernière étape du processus est indispensable pour que les couches d'oxyde se scellent. Elles se sont développées vers l'intérieur et vers l'extérieur depuis la surface du métal. L'adhérence atteint son maximum, d'une manière qu'aucune autre procédure ne peut garantir.

Équipement nécessaire pour le traitement par oxydation électrolytique au plasma

L'équipement d'oxydation électrolytique au plasma joue un rôle majeur dans le processus. Les machines utilisées doivent être finement réglées et comprennent les composants suivants.

1. Alimentation électrique pour oxydation micro-arc

Pour atteindre les conditions de température et de pression requises, il faut avant tout une alimentation électrique efficace.

Comparons deux machines différentes. L'une appartient au Gordon Laboratory, propriété de l'Université de Cambridge. Elle a une capacité de 25 litres et sa puissance de sortie doit atteindre un maximum de 10 kW.

Pourquoi ? D'abord, la machine doit fonctionner à une fréquence de 50 Hz. Elle applique également des potentiels anodiques jusqu'à 600 V et des potentiels cathodiques jusqu'à 200 V. Ces potentiels sont ajustés pour maintenir un courant constant de 1,5 kA par mètre carré.

La seconde machine appartient à l'entreprise Keronite. Elle propose des revêtements PEO à l'échelle industrielle. À cette fin, elle doit fournir 300 kW de puissance pour des capacités allant jusqu'à 3500 litres.

La puissance est délivrée en impulsions extrêmement courtes. Cela permet à des pics d'énergie très élevés d'atteindre la cellule électrolytique, maximisant ainsi l'efficacité du processus.

2. Cuve d'oxydation micro-arc et installations annexes

Comme mentionné, le revêtement MAO est réalisé en bain. Cela signifie que le substrat est placé dans une cuve, où il est recouvert d'une solution d'électrolyte aqueuse.

Les solutions varient selon les caractéristiques souhaitées du revêtement. L'anodisation employait généralement de l'acide sulfurique (H2SO4) très polluant. La MAO, quant à elle, utilise des solutions propres et à usage unique, pour la plupart propriétaires.

Un système de circulation de refroidissement complète la conception de la cuve. Grâce à des tuyaux en contact avec la solution, il offre des moyens d'abaisser la température du processus.

3. Matériau de cathode

Les cellules électrolytiques nécessitent une anode et une cathode. Les échantillons de substrat font office d'anodes. Un matériau inerte, généralement de l'acier inoxydable, sert de cathode.

Comme les anodes et les cathodes ne peuvent pas être en contact, les échantillons sont suspendus à un support tout au long du processus.

FAQ

Conclusion

L'oxydation électrolytique au plasma remplace l'anodisation comme méthode numéro un pour améliorer industriellement les métaux légers. Après des décennies de recherche, le processus a été affiné pour rendre les métaux bon marché plus résistants à la chaleur et à la corrosion.

La PEO reste coûteuse et nécessite une technologie de pointe. Cependant, des entreprises et des universités s'efforcent d'en généraliser l'usage.