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Ionbond développe des revêtements pour les propulseurs spatiaux Snecma (groupe Safran)

17 juillet 2013

Les revêtements PVD et CVD sont généralement associés à des films résistant à l'usure, qui prolongent la vie utile des outils et des pièces de machines. Cependant, ces revêtements peuvent également fournir une variété d'autres propriétés de surface uniques. Le Logo Ionbond intitulé "Les ingénieurs de Surface” reflète le fait que nous nous sommes spécialisés dans l'ingénierie de la surface pour répondre aux besoins spécifiques de cette application.

La société française Snecma (www.snecma.com) a contacté la société Ionbond avec une demande d'élaboration d'un revêtement spécial pour la nouvelle gamme de moteurs de propulsion plasmique, qui sont utilisés dans l'espace pour conduire un satellite et / ou garder les satellites sur leur orbite. Snecma fabrique ces moteurs propulseurs à plasma principalement pour les satellites de télécommunications, comme Alphabus en cours de développement sous contrat avec l'Agence spatiale européenne (ESA).

Le Système de propulsion à plasma est un système de réaction qui consomme de l'énergie électrique à plasma et un moyen pour générer de la poussée. En revanche, la propulsion chimique repose sur une réaction chimique dans le même but. Fait intéressant, les deux moteurs utilisent la troisième loi de Newton de même que leur principe de fonctionnement fondamental. La propulsion chimique, tout en étant la technique traditionnelle, présente une limitation physique dans la vitesse des gaz d'échappement et, respectivement, la vitesse maximale que peut atteindre une embarcation. En outre, son équivalent de la «consommation de carburant» (appelé «impulsion spécifique» par les scientifiques des fusées), est un peu faible. Les moteurs de propulsion plasmique, tout en n'ayant qu'une valeur modeste de la poussée, peuvent offrir une propulsion pour un temps très long et ont une meilleure consommation de carburant. Les propulseurs à plasma peuvent propulser un vaisseau spatial à la hauteur de vitesses impressionnantes de 50 km / s (180 000 km / heure).

Snecma fabrique des propulseurs à effet Hall plasma ionisé, qui utilisent du gaz xénon comme gaz propulseur et le champ électrostatique comme moyens d'accélération. Le xénon plasma est formé à l'intérieur de l'anode cylindrique par des collisions d'atomes de xénon avec des électrons. Des ions xénon sont ensuite accélérés et propulsé sur l'anode. À l'étape de sortie, des ions se recombinent avec des électrons, ce qui maintient la configuration de l'ensemble électriquement neutre. Les ingénieurs de Snecma ont choisi le principe de cathode creuse pour générer les électrons nécessaires pour l'ionisation. La cathode creuse utilise l'énergie des ions de gaz pour maintenir la température élevée nécessaire pour l'émission d'électrons. Des réactions chimiques indésirables commencent à se manifester à ces températures entre les matériaux utilisés, qui sont généralement inerte à température ambiante. Par conséquent des barrières de revêtement spécifiques doivent être ajoutées pour empêcher la dégradation de la performance au cours de la durée de vie du vaisseau spatial.

Le nitrure de zirconium (ZrN) a été identifié comme un moyen efficace de bloquer la diffusion. La tâche des ingénieurs Ionbond consistait à développer un procédé capable de produire un revêtement ZrN sur les surfaces des éléments à cathode creuse. Cette tâche a présenté des défis majeurs. Tout d'abord, le revêtement devait être produit sur les diamètres intérieurs des parties avec un rapport d'aspect élevé. Deuxièmement, une couche épaisse était nécessaire - particulièrement épaisse en comparaison avec les exigences habituelles - qui a néanmoins dû parfaitement adhérer aux métaux réfractaires utilisés. Troisièmement, déposer un film ZrN devait présenter une morphologie particulière et un réseau cristallographique pour répondre aux spécifications de Snecma.

Puisque le procédé PVD n'était pas approprié pour le dépôt des surfaces internes, les ingénieurs processus Ionbond travaillèrent sur la technologie CVD. Dans cette technique, le revêtement est produit par chloration de zirconium pur et le transfert de la vapeur formée ZrCl4 à la zone réactive, où il réagit avec l'hydrogène et de l'azote ou des gaz contenant de l'azote à haute température pour former un dépôt ZrN. Dans les procédés classiques, le taux de dépôt de ZrN est inférieur à un micron par heure, ce qui serait inacceptable pour le dépôt de couches épaisses. Pour cette raison, les ingénieurs Ionbond ont du chercher des possibilités d'accroître la vitesse de dépôt. Les paramètres tels que la concentration des réactifs, la température de chloration et de dépôt, la pression et la configuration de charge ont été identifiés comme facteurs influant sur la vitesse de dépôt. Après analyse thermodynamique préliminaire, des gammes possibles pour chaque paramètre ont été sélectionnées et une matrice d'expériences a été conçue. Outre le taux de dépôt, le treillis et la morphologie ont été surveillées en tant que variables de réponse.

L’expérimentation et l’analyse des données a permis d'établir la dépendance entre les paramètres d'entrée et les variables de réponse. Il a été déterminé que la température de dépôt est le principal contributeur à la vitesse de dépôt de ZrN. Le rapport entre les concentrations d'hydrogène et ZrCl4 joue le second rôle le plus important. Une attention particulière a été accordée à la mise en place de la charge afin de produire un revêtement de distribution de l'épaisseur et de l'uniformité acceptable. Depuis que la tâche d'optimisation globale comprend trois paramètres (taux de dépôt, la morphologie et le treillis de type), d'importants ajustements des paramètres de dépôt ont été nécessaires pour produire un revêtement conforme à la spécification, tout en maintenant la valeur la plus élevée de la vitesse de dépôt.

Les ingénieurs Ionbond ont réussi à surmonter ces défis et à développer un processus spécialisé de revêtements ZrN sur les composants Snecma. En plus de satisfaire toutes les exigences de la spécification Snecma, une augmentation frappante par quatre du taux de dépôt a été réalisée ainsi. Les premiers éléments sont livrés à Snecma, qui va les tester et les installer dans les propulseurs plasmas. «C'était compliqué, une tâche audacieuse de l'optimisation multifactorielle. Les ingénieurs Ionbond ont fait preuve de professionnalisme, d’une connaissance approfondie de la technologie et d’une approche très enthousiaste de ce problème. Chapeau "- dit Gilles Turin, gestionnaire de programme de Snecma.

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