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Thèse Année : 2020

Study of the micro-discharges / metallic surfaces interactions for a better understanding of the growth mechanisms within the PEO process

Étude de l'interaction micro-décharges / surfaces métalliques pour une meilleure compréhension des mécanismes de croissance lors du procédé PEO

Résumé

Plasma electrolytic oxidation (PEO) is an electrochemical surface processing technique that allows the growth of protective oxide films on lightweight metals (Al, Ti, Mg). Contrary to conventional anodising, PEO operates at high current density and voltage which results in the ignition of micro-discharges (MDs) over the processed surface The aim of this work was to investigate the characteristics of the MDs under different processing parameters and to correlate these characteristics with the microstructure of the produced oxide layers in order to better understand the oxide growth mechanisms. Firstly, PEO sequenced treatments were conducted by changing the electrical parameters in the course of a treatment. Results revealed a particular behaviour of the MDs which depends not only on the applied electrical parameters but also on the morphology of the growing layer. Results also evidenced an earlier transition to the beneficial “soft” sparking regime, contributing to a significant improvement of the microstructure of the oxide layer as well as process energy consumption. Time-resolved optical characterizations of the PEO process pointed out a correlation between ignition of MDs and the dynamic of the surrounding gas bubbles at the oxide / electrolyte interface. Particularly, results proved the existence of inner MDs during the “soft” sparking regime. Secondly, a multi-scale characterization of the typical “pancake” structure formed during the transition to the “soft” regime revealed the formation of a lamellar nanocomposite structure consisting of periodical alternations of alumina and metastable 1:1 mullite lamellae. Finally, two new opportunities for the PEO process were explored. The feasibility of duplex treatment involving cold-spray and PEO technologies was demonstrated and the possibility to produce metallic oxide (nano-) particles was proposed.
Le procédé d’oxydation par plasma électrolytique (PEO) un procédé électrochimique de traitement de surface permettant d’élaborer des couches d’oxydes protectrices à la surface d’alliages métalliques légers (Al, Ti, Mg). Contrairement aux procédés d’anodisation, le procédé PEO utilise une densité de courant et une tension élevées qui donnent lieu au développement de micro-décharges (MDs) sur la surface traitée. L’objectif de cette étude était d’étudier les caractéristiques de ces MDs sous différentes conditions opératoires et de les corréler avec la microstructure des couches d’oxyde élaborées, pour in fine mieux comprendre les mécanismes de croissance. Tout d’abord, des traitements PEO séquencés ont été menés en changeant certains paramètres électriques en cours de traitement. Les résultats ont révélé un comportement particulier des MDs qui dépend non seulement des conditions électriques appliquées mais aussi de la morphologie de la couche en croissance. Les résultats ont également mis en évidence une transition anticipée vers le régime bénéfique de décharges « soft » contribuant ainsi à une amélioration significative de les microstructure de la couche d’oxyde et de la consommation énergétique du procédé PEO. Des mesures optiques résolues en temps ont permis d’établir une corrélation entre le développement des MDs et la dynamique des bulles de gaz à l’interface oxyde / électrolyte. Particulièrement, les résultats ont prouvé l’existence de MDs internes à la couche lors du régime de croissance « soft ». De plus, une caractérisation multi-échelle de la structure dite en « pancake », structure typique du régime «soft », a révélé la formation d’une structure lamellaire nanocomposite. Elle consiste en une alternance de lamelles d’alumine pure avec des lamelles de mullite 1 :1 métastable. Enfin, deux études prospectives ont été conduites autour du procédé PEO. La faisabilité de réaliser des traitements duplex combinant les procédés cold spray et PEO a été démontrée ainsi que la possibilité de produire des (nano-) particules d’oxyde métallique via le procédé PEO.
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tel-02961871 , version 1 (08-10-2020)

Identifiants

  • HAL Id : tel-02961871 , version 1

Citer

Vitalios Ntomprougkidis. Study of the micro-discharges / metallic surfaces interactions for a better understanding of the growth mechanisms within the PEO process. Plasma Physics [physics.plasm-ph]. Université de Lorraine, 2020. English. ⟨NNT : 2020LORR0077⟩. ⟨tel-02961871⟩
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