Fiabilité tribologique des alliages métalliques amorphes – TriboRAMA

- Elaboration et mise en forme de verres métalliques massifs (arc-melting, moulage, micro-usinage, polissage)
- Caractérisation mécanique et structurale (DRX, TEM, DSC, RMN, dureté, flexion 3 points, ultrasons)
- Caractérisation de surface (MEB, EDS, PM-IRRAS, XPS, microscopie confocale)
- Synthèse de molécules organiques
- Tribométrie sous diverses modalités (glissement et roulement) et conditions de contact (pression, vitesse, environnement)

Résultats majeurs :
- Obtention, de manière contrôlée, de 7 nuances de verres métalliques base Cu-Zr sous la forme de plaquettes millimétriques ou de galets avec des rugosités très faibles (Ra < 0.2µm).
- Importance de la compréhension des étapes de relaxation structurale préalables à une éventuelle cristallisation partielle.
- Succès dans la synthèse de molécules organiques avec 3 nouvelles terminaisons polaires.
- Mise en évidence (i) de l’indépendance de la population des groupes hydroxyles et des oxydes de surface (ii) et de la dépendance de la rugosité de surface sur la création de clusters organiques dispersés sur les verres métalliques.
- Mise en évidence du rôle très déterminant de l’humidité relative du milieu environnant le contact tribologique sur le frottement et l’usure.
- Démonstration que le comportement tribologique peut être très prédictif et ceci de manière reproductible si tant est que les conditions de contact sont bien maîtrisées.
- Obtention de niveaux de frottement et d’usure très faibles pour certains couples de matériaux impliquant des verres métalliques.

Les perspectives à court et moyen termes s’orientent conjointement vers : (1) la réalisation de verres métalliques sous la forme de micro-engrenages, (2) la corrélation entre dureté/plasticité et réponses tribologiques, (3) les liens entre modes de déformation (bandes de cisaillement, fissuration…) et volumes d’usure, (4) l’influence de la longueur de chaîne des molécules synthétisées sur la morphologie des clusters formés, (5) la caractérisation du greffage et des clusters issus de nouvelles molécules synthétisées, (6) le comportement tribologique des verres métalliques bruts et fonctionnalisés en modalité de roulement, (7) le développement de moyens expérimentaux pour élargir les gammes de pression de contact et vitesses, (8) les réponses tribologiques des contacts impliquants 2 verres métalliques, (9) la durabilité tribologique des verres métalliques fonctionnalisés en surface.

S. Stoens, G. Colas, R. Daudin, P-H. Cornuault, Effects of relative humidity on the tribological behavior of Cu-Zr-based bulk metallic glasses, 17èmes Journées de la Matière Condensée (JMC17), Rennes, France, 25-27 Août 2021
S. Stoens, R. Daudin, A. Lenain, S. Gravier, G. Colas, P-H. Cornuault, Strong dependence of relative humidity on the tribological behavior of Cu-Zr based BMGs in ambient air, 7th World Tribology Congress (WTC), Lyon, France, July 2022

Les verres métalliques (VM), également appelés alliages métalliques amorphes (AMA), sont privés d'ordre atomique à longue distance. Ils sont obtenus par refroidissement très rapide du liquide métallique empêchant les atomes de s'organiser en une structure cristalline ordonnée. Cette microstructure particulière leur confère des propriétés spécifiques telles qu'une très grande résistance mécanique, une résistance à la corrosion ainsi qu'une très faible rugosité de surface. Ils sont cependant limités à de petites tailles, ce qui les rend peu susceptibles d'être utilisés comme matériaux de structure. Ils offrent par contre une alternative très prometteuse et des matériaux de choix pour des applications en micro-mécanique. C’est donc tout naturellement que leur potentiel pour des applications tribologiques, en particulier dans le domaine des microsystèmes où la miniaturisation durcis les conditions de contact s’est fait ressentir. Malheureusement, le comportement tribologique des VM est encore très controversé et très imprévisible car il dépend fortement de la composition et des conditions de contact, sans corrélation claire avec leurs propriétés mécaniques intrinsèques. Le but du projet TriboRAMA est d'améliorer significativement la compréhension tribologique, la performance et la fiabilité d'une classe spécifique de VM (base CuZr). Nous proposons d'affiner leurs compositions, leurs microstructures et leurs propriétés de surface pour contrôler leurs propriétés tribologiques. Ce projet permettra la production de VM présentant un comportement tribologique fiable, prédictif et optimisé, plus particulièrement pour des applications liées à des microsystèmes.
Grâce à la réalisation et l’analyse de nombreux tests tribologiques, le projet permettra (i) d'étudier les conditions de contact pour promouvoir l'utilisation des VM en conditions réelles pour l'industrie, (ii) de proposer des lignes directrices pour l'optimisation de la réponse tribologique des VM grâce à la modification de leur composition ainsi que l'impact de leur cristallisation partielle par traitement thermique (fonctionnalisation de volume) (iii) d'étudier et de développer une procédure efficace pour greffer des molécules d'acides alkylphosphoniques servant de lubrifiants secs (fonctionnalisation en surface).
TriboRAMA s'articule autour de quatre work packages scientifiques, chacun dirigé par l'un des quatre partenaires du projet composé de deux universitaires et deux industriels. Le laboratoire Femto-ST, en charge du projet, évaluera le comportement tribologique et les performances des VM tandis que le laboratoire SIMaP sera responsable de la production et de la caractérisation des VM fonctionnalisées en volume. En ce qui concerne les partenaires industriels, Vulkam produira des échantillons de VM, développera de nouvelles compositions et concevra des prototypes de micro-engrenages. Afuludine sera responsable du développement et de l'étude du greffage de surface VM pour la fonctionnalisation des surfaces. Le présent projet produira des résultats scientifiques de pointe, permettra de surmonter les contraintes techniques actuelles et proposera une nouvelle gamme de VM au comportement tribologique fiable en vue d’applications industrielles.