Safran collabore avec Ionbond pour développer des revêtements pour l'espace extraterrestre
Les revêtements PVD et CVD sont généralement associés à des films résistants à l'usure, qui prolongent la durée de vie utile des outils et des pièces de machines. Cependant, ces revêtements peuvent également offrir une variété d'autres propriétés de surface uniques. Le logo d'Ionbond, "The Surface Engineers", reflète le fait que nous sommes spécialisés dans l'ingénierie de la surface pour répondre aux besoins de l'application.
La mission de Safran : le développement de propulseurs à plasma très efficaces pour les satellites
La société française Safran Space Propulsion a approché Ionbond avec une demande de développement d'un revêtement spécial pour la nouvelle gamme de moteurs à propulsion plasma, utilisés dans l'espace pour propulser les engins spatiaux et maintenir les satellites en orbite. Safran fabrique principalement ces moteurs pour l'Agence Spatiale Européenne (ESA), dont les engins spatiaux dépendent de propulseurs à plasma pour se déplacer dans l'espace.
Pourquoi la propulsion par plasma ?
Le système de propulsion à plasma est un moteur à réaction qui utilise le plasma comme moyen de générer la poussée. En revanche, la propulsion chimique repose sur une réaction chimique à la même fin. Fait intéressant, les deux moteurs utilisent la même troisième loi de Newton comme principe de fonctionnement fondamental. La propulsion chimique, bien qu'étant la technique dominante, présente une limitation physique en ce qui concerne la vitesse des gaz d'échappement et, par conséquent, la vitesse maximale qu'un engin peut atteindre. De plus, son équivalent en termes d'efficacité énergétique (appelé « impulsion spécifique » par les scientifiques des fusées) est très faible. Les moteurs à propulsion plasma, bien que n'ayant qu'une valeur modeste de poussée, peuvent la fournir pendant très longtemps et ont une bien meilleure efficacité énergétique. Les propulseurs à plasma peuvent propulser les engins spatiaux à des vitesses impressionnantes allant jusqu'à 50 km/s (180 000 km/heure).
Le propulseur à effet Hall et le rôle d'une cathode creuse
Safran fabrique des propulseurs à plasma à effet Hall, qui utilisent du gaz xénon ionisé comme propulseur et un champ électrostatique comme moyen d'accélération. Le plasma de xénon est formé à l'intérieur de l'anode cylindrique par des collisions de ses atomes avec des électrons. Les ions de xénon sont ensuite accélérés et propulsés hors de l'anode. À l'étape de la sortie, les ions se recombinent avec les électrons, maintenant ainsi l'ensemble du dispositif électriquement neutre. Les ingénieurs de Safran ont choisi le principe de la cathode creuse pour générer les électrons nécessaires à l'ionisation. La cathode creuse utilise l'énergie des ions gazeux pour maintenir la haute température requise pour l'émission d'électrons. Pour abaisser la température d'émission et ainsi augmenter la durée de vie de la cathode, des matériaux spéciaux à faible fonction de travail sont souvent utilisés. Dans le cas d'une cathode creuse, le tube du matériau émissif est inséré à l'intérieur de la coquille en métal réfractaire. Cependant, à haute température, les constituants de ces matériaux commencent à diffuser dans le matériau de la coquille, ce qui entraîne sa rapide détérioration. Afin d'éviter cela, une barrière de diffusion entre les matériaux émissifs et la coquille est nécessaire.
Le nitrure de zirconium comme barrière de diffusion
Le matériau nitrure de zirconium (ZrN) a été identifié comme un moyen efficace de bloquer une telle diffusion. La tâche des ingénieurs Ionbond était de développer un processus capable de produire ce revêtement sur les surfaces des composants de la cathode creuse. Cette tâche présentait des défis majeurs. Premièrement, le revêtement devait être produit sur les diamètres intérieurs des pièces avec un rapport d'aspect élevé. Deuxièmement, l'épaisseur du revêtement devait dépasser 20 microns - exceptionnellement épais par rapport aux exigences régulières et adhérer bien aux métaux réfractaires. Troisièmement, le film de ZrN déposé devait présenter une morphologie et une structure cristalline particulières pour répondre aux spécifications de Safran.
Les défis : revêtement de l'identification de la pièce avec une épaisseur élevée du dépôt
Étant donné que le processus PVD n'était pas adapté pour le dépôt de revêtement ID, les ingénieurs du processus Ionbond se sont concentrés sur la technologie CVD. Le revêtement est produit en chlorurant du zirconium pur et en transférant la vapeur de ZrCl4 formée vers la zone réactive, où elle réagit avec un mélange de gaz contenant de l'hydrogène et de l'azote à haute température pour former du ZrN. Dans le processus conventionnel, le taux de dépôt de ZrN est inférieur à un micron par heure, ce qui serait inacceptable pour le dépôt de films d'une épaisseur de plus de 20 microns. Pour cette raison, les ingénieurs d'Ionbond ont dû chercher des possibilités pour augmenter le taux de dépôt. Des paramètres tels que la concentration des réactifs, les températures de chloruration et de dépôt, la pression et la configuration de la charge ont été identifiés comme des facteurs affectant le taux de dépôt. Après une analyse thermodynamique préliminaire, des plages réalisables pour chaque paramètre ont été sélectionnées et une matrice d'expériences a été conçue. En plus du taux de dépôt, les types de réseau et de morphologie ont été surveillés en tant que variables de réponse.
Morphologie typique des dépôts de ZrN : gauche - acceptable ; droite - non acceptable
Ingénierie d'un processus CVD sur mesure
L'expérimentation et l'analyse des données ont permis d'établir la dépendance entre les paramètres d'entrée et les variables de réponse. Une attention particulière a été accordée à la configuration de la charge pour produire un revêtement avec une distribution et une uniformité d'épaisseur acceptables. Étant donné que la tâche d'optimisation globale comprenait trois paramètres (taux de dépôt, morphologie et réseau), des ajustements substantiels du processus étaient nécessaires pour produire les types de morphologie et de structure cristalline requis, tout en maintenant la valeur la plus élevée du taux de dépôt.
De la conception à la solution : mission accomplie
Les ingénieurs d'Ionbond ont réussi à surmonter ces défis et ont développé un processus spécialisé de dépôt de revêtements ZrN sur les composants de Safran avec une augmentation quadruple du taux de dépôt, satisfaisant toutes les exigences de la spécification de Safran. Les premiers composants sont livrés à Safran, où ils seront testés et installés dans les propulseurs à plasma. "C'était une tâche complexe et audacieuse d'optimisation multifactorielle. Les ingénieurs d'Ionbond ont fait preuve de professionnalisme, d'une connaissance approfondie de la technologie et d'une approche très enthousiaste du problème. Chapeau !", déclare Laurent Godard, Responsable de la Qualification des Matériaux et des Processus chez Safran.
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