Développement par procédé sol-gel de revêtements anti-corrosion d'alliages d'aluminium à usage aéronautique : de l'effet barrière à l'auto-cicatrisation

Elaboration by sol-gel process of anti-corrosion coatings for aeronatutical aluminium alloys : from barrier effect to self-healing

• Auteur / Autrice : Julien Esteban
• Direction : Florence Ansart, Jean-Pierre Bonino
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sol-gel, Procédé

Corrosion

Aluminium -- Alliages

Mots clés libres

Sol-gel

Revêtements

Aluminium

Cérium

Anti-corrosion

Protection barrière

Auto-cicatrisation

Résumé

Ce travail de recherche consiste à proposer un procédé alternatif à l'Oxydation Anodique Chromique (OAC) colmatée aux bichromates, considérée comme présentant la protection contre la corrosion la plus performante pour alliages d'aluminium. La voie sol-gel a été envisagée, et les dépôts ont été élaborés par trempage-retrait, ou dip-coating. Dans la première partie, les travaux ont porté sur la formulation d'un sol exempt de composés présentant le risque d'être classés CMR, et sur l'optimisation de la préparation de surface du substrat en alliage d'aluminium et du procédé de dépôt. Ce premier axe d'étude a permis d'élaborer des revêtements d'une épaisseur maîtrisée, homogènes, adhérents, et présentant une protection barrière significative. Néanmoins, le pouvoir auto-cicatrisant de tels dépôts est insuffisant. Dans un deuxième temps, l'introduction de cérium, en tant qu'inhibiteur de corrosion, a donc été étudiée afin d'améliorer la durabilité des revêtements et notamment ajouter un pouvoir auto-cicatrisant à une protection purement "barrière". Les résultats d'analyses électrochimiques ont permis de montrer que la présence de cérium au sein des dépôts hybride permettait d'apporter une protection active en cas de blessure du système de protection. Par ailleurs, il a été montré que l'introduction de cérium en concentrations trop importantes pouvait provoquer la dégradation de la protection barrière que présente initialement le revêtement hybride. La relation entre protection barrière et propriétés mécaniques a d'ailleurs pu être établie. En outre, des analyses de concentrations par profilométrie XPS ont permis de mettre en évidence une zone naturellement enrichie en cérium à l'interface entre le substrat en alliage d'aluminium et le revêtement hybride, qui a pu être reliée à une forte affinité chimique entre le cérium et l'aluminium, entrainant la formation de liaisons Al-O-Ce durant le procédé de dip-coating. Enfin, la dernière partie de l'étude est consacrée à l'élaboration et à la caractérisation d'un système de protection architecturé composé de deux couches : une couche volontairement enrichie en cérium à l'interface avec le substrat et un revêtement hybride présentant un effet barrière optimal. L'association d'un dépôt sol-gel hybride à une couche de conversion riche en inhibiteur de corrosion a permis d'élaborer un système de protection bi-couche présentant d'excellentes propriétés anti-corrosion, comparables à celles que présente l'OAC colmatée au Cr(VI).

The aim of this work consists in development of a new process to replace CAA (chromic acid anodization), considered as the best anti-corrosion solution for aluminum alloys. Sol-gel route was investigated, and coatings were elaborated by dip-coating process. In the first part, works were focused on the development of Reach compliant liquid sols, and on the optimization of surface preparation of aluminum substrates and coating process. Coatings with controlled thickness, good adhesion and barrier properties were elaborated. However, the self-healing properties of these coatings were not sufficient. In a second time, cerium was studied as corrosion inhibitor in order to improve coatings performance, and to add a self-healing effect to barrier properties. On the first hand, results of electrochemical characterizations showed that addition of cerium provide an active protection in case of coatings damage. On the other hand, it has been underlined that for too important cerium concentrations, the barrier effect of the coating could be degraded. Interaction between barrier effect and mechanical properties has been proved. XPS analyses showed that there is an important cerium concentration at the interface between substrate and hybrid coating, due to the chemical affinity between cerium and aluminum. Finally, two layers protective structures were developed and characterized: an cerium oxide layer is elaborated on the aluminum substrate, and covered by an hybrid sol-gel coating with optimal barrier effect. With combination of these two layers, reach compliant protective system demonstrating excellent anti-corrosion properties was obtained.