Anodisation du titane par oxydation micro-arc (MAO)

Anodizing of titanium by micro-arc oxidation (MAO)

• Auteur / Autrice : Aude Mathis
• Direction : Emmanuel Rocca
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 27/10/2016
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : SESAMES - Ecole Doctorale Lorraine de Chimie et Physique Moléculaires
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Gérard Henrion
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuel Rocca, Jean-Yves Hihn, Joffrey Tardelli
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Maurice, Sébastien Touzain

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dépôt électrolytique

Titane

Anodisation

Titane -- Alliages

Traitements de surface

Mots clés libres

Anodisation

Micro-Arc

Alliages de titane

Mécanismes de croissance

Anodizing

Micro-Arc

Titanium alloys

Growth mechanism

Résumé

Le présent travail de thèse a pour but le développement du procédé de traitement de surface d’anodisation micro-arc (MAO), appliqué au titane et alliage de titane. L’objectif est de déterminer l’influence des paramètres tels que la nature du substrat (éléments d’alliage), la chimie de la solution électrolytique et les paramètres électriques, sur le comportement électrochimique in-situ des couches en formation, ainsi que sur les caractéristiques microstructurales et chimiques des revêtements. Des méthodes de caractérisations notamment morphologiques (imagerie MEB et MET), chimiques (EDS, DRX, diffraction des électrons, EELS) et électrochimiques ex-situ (potentiel libre, courbes de polarisation, SIE) sont utilisées afin d’étudier les revêtements formés. L’étude systématique réalisée par voltampérométrie et chronopotentiométrie a permis de différencier trois stades ou régimes d’anodisation (I/ classique, II/ micro-arc, et III/ d’arcs), caractérisés par une réponse électrochimique particulière de l’interface métal/électrolyte, et qui impacte les propriétés de revêtement finalement obtenues. Des modèles phénoménologiques sont proposés aux différents stades d’anodisation et en lien avec les paramètres du traitement MAO. Le titane commercialement pur de Grade 2 et l’alliage de titane Ti-6Al-4V (ou TA6V) ont été étudiés comparativement ; l’influence des éléments d’alliage (aluminium et vanadium) a été discutée sur la conduite du procédé. L’élaboration d’une solution électrolytique a été étudiée dans le but d’obtenir un revêtement épais, compact et composé majoritairement de titanate d’aluminium. L’incorporation dans les revêtements des éléments provenant de l’électrolyte a été discutée en lien avec la réponse électrochimique ; cette étude conduit à une proposition de mécanisme de croissance de couche où interviennent les éléments du substrat et les éléments d’alliage aux différents stades d’anodisation. L’étude des régimes pulsés unipolaires et bipolaires a permis de discuter l’effet des temps de pause et des pulsations cathodiques sur la réponse électrochimique du matériau et sur les propriétés des revêtements. L’étude du ratio des charges anodiques / cathodiques a montré qu’il s’agissait d’un paramètre essentiel pour garantir la croissance d’un revêtement à la fois épais, homogène et compact

This thesis manuscript relates to the study of process set up of an electrochemical surface treatment, called micro-arc oxidation (MAO), and applied to titanium and its alloys. The aim is to determine the influence of parameters such as nature of the substrate (alloying elements), chemistry of the electrolytic solution and electrical parameters, on the process. In-situ electrochemical behaviour of forming oxide layers is studied, as well as microstructural and chemical characteristics of formed coatings. Many methods mostly to characterize morphology (SEM, TEM imagery), chemistry (EDS, XRD, electron diffraction, EELS) and ex- situ electrochemical behaviour (OCP, polarizing, EIS) are used. Systematic study realised by voltamperometry and chronopotentiometry allowed to differentiate three anodizing stages (I/ conventional, II/ micro-arc, III/ of arcs), characterized by a particular electrochemical response of the metal/electrolyte interface, and which impacts obtained coating properties. Phenomenological models are proposed for each stage of anodizing and linked to MAO process parameters. Grade 2 commercially pure titanium and alloy Ti-6Al-4V (or TA6V) are comparatively studied; the influence of alloying elements (aluminium and vanadium) was discussed in relation with running of the process. Development of an electrolytic solution was carried out to obtain a thick and compact coating, mostly composed of aluminium titanate. Incorporation into the coating of elements from the electrolyte was discussed, and linked to in-situ electrochemical response; this study leaded to a proposed coating growth mechanism which involves elements from the substrate and from the electrolyte. Study of unipolar and bipolar pulsed regimes allowed discussing the effect of pause time and cathodic pulses on electrochemical response of the material and on coating properties. Study of the anodic / cathodic charge ratio showed it was an essential parameter to ensure growth of a thick, homogeneous and compact coating