CE08 - Matériaux métalliques et inorganiques et procédés associés

Fonctionnalisation de verres métalliques par traitement laser ultrabref – MEGALIT

Multifonctionnalisation de surface de verres métalliques par laser ultrabref

Le projet MEGALIT a pour objectif d'explorer le potentiel d'amélioration des fonctionnalités de surface des verres métalliques (Metallic Glasses, MG) reconnus pour leurs propriétés mécaniques exceptionnelles (proches de celles du métal) et leur état de surface (semblable à celui du verre), afin de remplacer les solutions existantes complexes par une approche de revêtement de matériau mono à multifonctionnel.

Vers une démonstration de la pertinence industrielle des verres métalliques en couches minces

La pertinence industrielle des verres métalliques massifs souffre encore de faiblesses préjudiciables (telles qu'une ténacité insuffisante, une mise à l'échelle industrielle limitée des technologies de traitement et un coût prohibitif) pour des applications à grande échelle. Ces inconvénients peuvent être réduits en diminuant leur dimensionnalité, par l'élaboration de couches minces et le traitement des surfaces par laser ultrabrefs.<br />Dans le cadre du projet MEGALIT, la stratégie détaillée pour relever ce défi consiste à (i) concevoir soigneusement la composition chimique des alliages amorphes en fonction de l'application ciblée; (ii) exploiter des technologies de revêtements PVD en couches minces particulièrement adaptées pour générer une phase métastable amorphe; et (iii) adapter la fonctionnalisation de la surface des revêtements avec un traitement adéquat par irradiation laser ultrabref. Un tel procédé avancé pourra apporter deux modifications distinctes des caractéristiques de surface et sub-surface du revêtement (en fonction des conditions d'irradiation) : une modification de l'état de surface (topographie et rugosité) pour adapter les propriétés de mouillage (tout en maintenant le revêtement de structure amorphe), ou une transition de phase contrôlée du film pour former une nanostructure de type composite. Une telle conception de composites de verre métallique est une tendance très récente dans le domaine des verres métalliques où des performances de rupture en termes de propriétés mécaniques (ténacité supérieure à celle des meilleurs alliages existants) ont été démontrées.

Ce projet s'appuie sur les compétences des laboratoires IJL (Nancy) et MATEIS (Lyon), spécialistes des alliages métalliques amorphes en couches minces, du partenaire industriel IREIS (groupe HEF), spécialiste des revêtements industriels, et du Laboratoire Hubert Curien (Saint-Etienne), spécialiste de la la texturation et de la fonctionnalisation de surface par laser ultrabref.

Le résultat de ce projet fournira des solutions technologiques dans trois domaines d'application:
- Applications biomédicales afin de concevoir un traitement de surface antibactérien et hydrophobe compétitif assurant des fonctions complémentaires de résistance à la corrosion et à l'abrasion.
- Aéronautique, énergie et industries chimiques pour augmenter la résistance à l'érosion des substrats dans des conditions de fonctionnement sévères en combinant des propriétés mécaniques améliorées et une stabilité chimique.
- Les technologies de stockage d'énergie et les industries de process, abordant le problème technique de la protection des composants fonctionnant dans des conditions corrosives et nécessitant une conductivité électrique ainsi qu'une bonne résistance mécanique.
L'objectif du projet repose donc sur la démonstration du potentiel des technologies clés (KET photonics et advanced materials) par une approche multifonctionnelle par design plutôt que sur une propriété unique, ce qui rendra les verres métalliques minces remarquablement attrayants

De forts impacts scientifiques et techniques sont attendus de cette approche multidisciplinaire. Les partenaires sont en mesure d'exploiter de manière positive les résultats du projet MEGALIT vers le monde socio-économique.

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Le projet MEGALIT a pour objectif d'explorer le potentiel d'amélioration des fonctionnalités de surface des verres métalliques (Metallic Glasses, MG) reconnus pour leurs propriétés mécaniques exceptionnelles (proches de celles du métal) et leur état de surface (semblable à celui du verre), afin de remplacer les solutions existantes complexes par une approche de revêtement de matériau mono à multifonctionnel.
Notre stratégie repose sur les avantages de la technologie de revêtement PVD qui permet de déposer des couches minces de MG présentant une meilleure ductilité que le matériau massif et un traitement d'irradiation par laser pulsé ultra-bref permettant une amélioration de certaines propriétés requises à la surface des matériaux.
La pertinence industrielle des verres métalliques massifs souffre encore de faiblesses préjudiciables (telles qu'une ténacité insuffisante, une mise à l'échelle industrielle limitée des technologies de traitement et un coût prohibitif) pour des applications à grande échelle. Ces inconvénients peuvent être réduits en diminuant leur dimensionnalité, comme dans l'élaboration de couches minces. Dans le cadre du projet MEGALIT, la stratégie détaillée pour relever ce défi consiste à (i) concevoir soigneusement la composition chimique des alliages amorphes en fonction de l'application ciblée ; (ii) exploiter des technologies de revêtements PVD en couches minces particulièrement adaptées pour générer une phase métastable amorphe ; et (iii) adapter la fonctionnalisation de la surface des revêtements avec un traitement adéquat par irradiation laser ultrabref. Un tel procédé avancé pourra apporter deux modifications distinctes des caractéristiques de surface et sub-surface du revêtement (en fonction des conditions d'irradiation) : une modification de l'état de surface (topographie et rugosité) pour adapter les propriétés de mouillage (tout en maintenant le revêtement de structure amorphe), ou une transition de phase contrôlée du film pour former une nanostructure de type composite. Une telle conception de composites de verre métallique est une tendance très récente dans le domaine des verres métalliques où des performances de rupture en termes de propriétés mécaniques (ténacité supérieure à celle des meilleurs alliages existants) ont été démontrées.

Ce projet s'appuie sur les connaissances des laboratoires IJL et MATEIS et IREIS, spécialistes des alliages métalliques amorphes en couches minces, du laboratoire Hubert Curien, spécialiste de la fonctionnalisation de surface par laser et du partenaire industriel (groupe IREIS - HEF), spécialiste des revêtements industriels et de la texturation de surface au laser à l'échelle industrielle.
Le résultat de ce projet fournira des solutions technologiques dans trois domaines d'application:
- Applications biomédicales afin de concevoir un traitement de surface antibactérien et hydrophobe compétitif assurant des fonctions complémentaires de résistance à la corrosion et à l'abrasion.
- Aéronautique, énergie et industries chimiques pour augmenter la résistance à l'érosion des substrats dans des conditions de fonctionnement sévères en combinant des propriétés mécaniques améliorées et une stabilité chimique.
- Les technologies de stockage d'énergie et les industries de process, abordant le problème technique de la protection des composants fonctionnant dans des conditions corrosives et nécessitant une conductivité électrique ainsi qu'une bonne résistance mécanique.

L'objectif du projet repose donc sur la démonstration du potentiel des technologies clés (KET photonics et advanced materials) par une approche multifonctionnelle par design plutôt que sur une propriété unique, ce qui rendra les verres métalliques minces remarquablement attrayants.
Alors que de forts impacts scientifiques et techniques sont attendus de cette approche multidisciplinaire, les partenaires sont en mesure d'exploiter de manière positive les résultats du projet MEGALIT vers le monde socio-économique.

Coordination du projet

Florence GARRELIE (Laboratoire Hubert Curien)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

IREIS Institut de Recherches En Ingénierie des Surfaces
MATEIS Matériaux : Ingénierie et Science
IJL Institut Jean Lamour (Matériaux - Métallurgie - Nanosciences - Plasmas - Surfaces)
UJM/LabHC Laboratoire Hubert Curien

Aide de l'ANR 591 213 euros
Début et durée du projet scientifique : janvier 2019 - 42 Mois

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