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Savoir empêcher de manière sûre que la matière présente d’un côté de la surface puisse passer de l’autre côté. Pour atteindre cet objectif, différents matériaux sont employés : graphite de carbone mécanique avec imprégnation de résine ou d’antimoine, métaux et revêtements durs, oxyde d’aluminium, carbure de tungstène et carbure de silicium. Les trois derniers sont généralement considérés comme des matériaux à surface dure. À l’heure actuelle, le carbure de silicium est le plus utilisé.

Pour réduire le risque de lignes de fuite le long des surfaces, la planéité est souvent contrôlée pour être inférieure à moins de trois faisceaux laser hélium-néon (0,000033 pouce). La force de fermeture du grain mobile (généralement créée par des méthodes mécaniques comme des ressorts) et les forces hydrauliques générées par la conception du joint d’étanchéité maintiennent les surfaces ensemble, créant une condition qui provoque l’usure d’une ou des deux surfaces.

Ces matériaux à surface dure sont souvent employés dans les applications particulièrement complexes, lorsqu’ils sont en contact les uns avec les autres (par exemple, du carbure de silicium contre lui-même ou contre du carbure de tungstène). À mesure que les conditions de fonctionnement du joint d’étanchéité se font plus dures, les matériaux à surface dure doivent continuer d’assurer un frottement efficace entre eux pour tirer pleinement parti de leurs avantages innés. Contrairement au graphite de carbone mécanique, ces matériaux à surface dure ne sont pas autolubrifiants. Ils ne peuvent donc pas fonctionner pendant des périodes prolongées sans fluide lubrifiant. D’autres améliorations doivent donc être effectuées pour étendre les capacités du couple de surface dures.

Ce document aborde l’évolution des différentes formes de carbure de silicium, les problèmes de fiabilité dans les combinaisons dur-dur et le développement d’hybrides.

1.0 Évolution des matériaux en carbure de silicium

1.1 CARBURE DE SILICIUM MONOLITHIQUE Le carbure de silicium est dur et doté d’une excellence résistance à l’abrasion et à l’usure. Son coefficient de friction est faible lorsqu’un lubrifiant est disponible, et il bénéficie d’une dureté et d’un module d’élasticité élevés. Il conserve également sa résistance à des températures élevées, a un faible coefficient de dilatation thermique, une conductivité thermique élevée et une excellence résistance à la corrosion.

1.2 Graphite au silicium

Dans les années 70, le carbure de silicium sous forme de dépôt chimique en phase vapeur a apporté une amélioration pour les grains mobiles en contact. Sa surface extérieure poreuse est une combinaison de carbure de silicium et de graphite provoquée par une réaction entre le silicium et le graphite. Il ne s’agit pas d’un revêtement. Le cœur en graphite de carbone permet d’obtenir une surface renforcée à la topographie unique, qui garantit une meilleure lubrification des surfaces.

L’une des limites de ce matériau est qu’il nécessite une imprégnation pour le rendre imperméable et l’utiliser dans les applications d’étanchéité. Le cœur en graphite limite aussi certaines propriétés physiques souhaitables telles que le module d’élasticité. Ce matériau a permis de démontrer qu’un matériau dur non autolubrifiant pouvait être frotté contre lui-même et améliorer les performances d’un couple d’étanchéité principal. Il est toujours utilisé aujourd’hui.

1.3 Carbure de silicium lié par réaction

Les matériaux homogènes tels que le carbure de silicium lié par réaction ont l’avantage d’être peu poreux, de bénéficier d’un module d’élasticité supérieur (rigidité) et d’une conductivité thermique élevée, ainsi que d’un bon comportement tribologique lorsqu’ils sont frottés contre un matériau d’accouplement adapté, par exemple du carbone mécanique. À l’origine, les coûts de traitement de cette famille de matériaux limitaient quelque peu leur utilisation dans les applications intensives aux conditions moins agressives chimiquement. Ces matériaux avaient besoin d’un important meulage et le silicium libre dans la structure était sensible aux environnements hautement caustiques ou acides.

Cette famille de matériaux a rapidement été adoptée dans différents types d’applications, car les pressions de contact pouvaient être augmentées avec moins de déflexion de surface qu’avec des matériaux métalliques. Le protocole normal consistait à frotter un graphite de carbone mécanique industriel et dur, souvent imprégné d’antimoine, contre le carbure de silicium lié par réaction.

1.4 Carbure de silicium fritté

Le carbure de silicium fritté (aussi appelé autofritté, fritté directement ou fritté sans pression) fournit des possibilités supplémentaires en termes de production. Ce matériau peut prendre des formes spécifiques puis être fritté à la taille finale, ce qui limite la quantité de meulage pour obtenir le produit fini, une opération coûteuse.

Cette réduction du coût de production, alliée à la nature homogène du matériau, a permis de l’utiliser dans les environnements hautement corrosifs, et dans des applications à plus gros volume.

Il a commencé à remplacer d’autres matériaux tels que l’alumine nécessitant des capacités supérieures de pression-vélocité (P-V). (Le paramètre P-V est un indice de la sévérité de l’application. Il s’agit d’une mesure relative de la paire de matériaux, qui est affectée par d’autres variables telles que le fluide isolé).

Malheureusement, ce matériau monolithique ne dispose pas de toutes les caractéristiques tribologiques du carbure de silicium lié par réaction, qui est un matériau à deux phases, et il ne peut pas subir de frictions aussi intensives. Encore une fois, les attributs du matériau peuvent aussi faire office de limitations.

1.5 Carbure de silicium chargé en graphite

Les matériaux en carbure de silicium ont évolué au fil du temps. Aujourd’hui, ils prennent souvent la forme d’un composite à deux phases utilisé dans des applications intensives. Les deux matériaux les plus courants de ce type sont le carbure de silicium et le graphite. Ces composites sont souvent appelés carbures de silicium « chargés en graphite », car le graphite est intégré (et non imprégné) à la structure de carbure de silicium.

La présence du graphite crée de petits réservoirs à la surface qui fournissent une texture contrôlée pour la lubrification sans créer de lignes de fuite. Cette texture augmente la capacité de la combinaison de surfaces dures à fonctionner dans des conditions de pression et de vélocité plus rigoureuses et peut être adaptée à des applications spécifiques.

Au départ, le graphite était ajouté à du carbure de silicium lié par réaction. Il a rapidement permis d’améliorer les performances des combinaisons de surfaces dures. Bien que sa résistance soit quelque peu réduite et que sa capacité à supporter les abrasifs ne soit pas aussi bonne que celle du carbure de silicium monolithique, son comportement tribologique est nettement meilleur. Dans certains cas, l’utilisation de ce type de matériau dans au moins l’une des deux surfaces dures a fait passer la durée de vie du joint d’étanchéité de quelques minutes à plusieurs centaines d’heures.

Le carbure de silicium fritté chargé en graphite est appliqué dans les combinaisons de surfaces dures depuis plus de dix ans. Cette famille unique de matériaux composites possède les avantages du carbure de silicium fritté, tout en incorporant une seconde phase abradable, qui fournit des poches ou réservoirs pour le « stockage » de fluide.

1.6 Carbure de silicium à diamants cristallins Le diamant est l’un des matériaux les plus durs. Il est doté d’excellentes propriétés en termes de comportement tribologique, de conductivité thermique et de résistance chimique. Ces qualités sont produites à la surface d’un anneau en carbure de silicium de finition classique en faisant croître un film de diamant cristallin à la surface. Pour ce faire, on place l’anneau dans une chambre où la pression, la composition gazeuse et la température sont précisément contrôlées. Un gaz chargé en carbone tel que le méthane (CH4) est introduit dans la chambre et, si les bonnes conditions de traitement sont réunies, des cristaux de diamant se forment sur le carbure de silicium. Le processus, appelé dépôt chimique en phase vapeur (Chemical Vapour Deposition, CVD), survient sous vide à des températures avoisinant 800 °C.

Le diamant n’est pas précipité par la phase vapeur. Il croît à la surface du carbure de silicium. À mesure que les petits cristaux de diamant grandissent, ils fusionnent ensemble pour former une surface en diamant continue. Les conditions de traitement spécifiques déterminent les propriétés du diamant, tandis que la température élevée du processus détermine le lien du diamant avec le carbure de silicium. Il est aussi important pendant l’opération de préserver la planéité du joint d’étanchéité à des écarts largement inférieurs à deux faisceaux laser hélium-néon.

Ces améliorations comportent des avantages pour les applications aux conditions de fonctionnement difficiles, mais ont un surcoût significatif.

2.0 Topographie du grain mobile

La performance et la fiabilité d’un joint mécanique dépend grandement de la topographie, c’est-à-dire la forme, la hauteur et la profondeur de la microstructure à la surface du grain mobile. Par exemple, un carbure de silicium fritté monolithique est si homogène et dense qu’il n’a aucune topographie résultant de sa structure. Si ce matériau est rodé selon les standards normaux des grains mobiles, la combinaison dur-dur peut « se tordre », ce qui crée un couple de départ très élevé et des conditions de lubrification marginales, deux facteurs d’endommagement des grains mobiles.

2.1 Rodage mat

Auparavant, on appliquait aux grains mobiles une méthode de rodage dit « mat » pour empêcher les « torsions » et améliorer la lubrification. Cette méthode crée des rayures peu profondes de quelques microns de largeur sur le grain mobile pour permettre l’écoulement du fluide dans et potentiellement le long de l’interface. Mais avec le temps, la surface redevenait polie, recréant les mêmes conditions qui, bien que théoriquement optimales pour minimiser les fuites, sont tribologiquement difficiles pour les matériaux monolithiques à surface dure non autolubrifiants.

Les carbures de silicium composites chargés en graphite ont été mis au point en intégrant le graphite à leur structure, ce qui crée de petits réservoirs à la surface du grain mobile. Ces réservoirs fournissent une surface contrôlée pour la lubrification sans créer de lignes de fuite. L’avantage du graphite intégré est qu’il ne s’agit pas seulement d’un effet de surface. Il bénéficie à l’ensemble du matériau en apportant des capacités améliorées pendant toute la durée de vie des composants. Il est aussi possible, pour une application donnée, de contrôler la quantité et la taille des particules du graphite dans la structure.

2.2 Texture de surface

Le contrôle de la topographie de la surface du graphite (taille, répartition et profondeur) s’appelle la texture. Cette valeur augmente la capacité de la combinaison de surfaces dures à fonctionner dans des conditions de pression et de vélocité plus rigoureuses. Comme illustré ci-dessous, deux composites de carbure de silicium chargés en graphite frottés l’un contre l’autre ont les valeurs relatives P-V les plus élevées de tous les couples de surfaces dures.

Lorsqu’ils sont associés avec un matériau d’accouplement en graphite de carbone, la valeur P-V est encore améliorée. La possibilité de contrôler étroitement la quantité de texture de surface sur le grain mobile via la formule et le traitement fournit des capacités améliorées pour le couple d’étanchéité, notamment les couples dur-dur qui existeront pendant toute la durée de vie des composants. En outre, le réglage précis de la quantité et du volume de la texture permet des personnalisations supplémentaires pour les applications les plus exigeantes.

Une texture accrue sur au moins l’une des surfaces de contact peut considérablement augmenter la durée de vie du couple d’étanchéité. La technique de finition de surface employée sur une texture de surface contrôlée par le niveau de graphite dans le composite peut influencer la prévisibilité des performances du joint mécanique, comme illustré ci-dessous.

Gammes de textures de surfaces composites

2.3 Propriétés mécaniques

Les transitions entre le carbure de silicium et l’amélioration tribologique sont essentielles pour ne pas créer d’autres problèmes opérationnels. Plus précisément, la dégradation des bords le long de la limite peut créer des débris endommageant l’interface.

Avec une structure de graphite correctement configurée, un composite en carbure de silicium fritté chargé en graphite peut fournir une transition fluide entre le réservoir et la matrice en carbure de silicium.

Le taux d’usure du carbure de silicium composite chargé en graphite peut aussi être influencé par la quantité de graphite dans la structure. Le tableau ci-dessous montre les résultats d’essais de couples de surfaces dures avec différents niveaux de graphite dans la structure en carbure de silicium fritté, en commençant par le matériau monolithique.

Le passage d’un monolithe en carbure de silicium à une structure composite peut aussi entraîner la réduction des propriétés physiques de la structure, comme illustré ci-dessous. L’impact de ces propriétés peut limiter l’utilisation de ces matériaux tribologiquement améliorés dans des conditions où le module et la résistance ont une importance accrue. Il existe une caractéristique qui s’améliore en ajoutant une seconde phase : la résistance aux chocs thermiques est améliorée dans le composite par rapport au monolithe.

2.4 Carbures de silicium composites

Les matériaux en carbure de silicium chargé en graphite apportent une fiabilité accrue dans les combinaisons de matériaux dur-dur pour les grains mobiles. Les composites chargés en graphite ne sont pas tous identiques. L’intégration de la seconde phase est tout aussi critique que sa présence dans la matrice. La présence de la seconde phase réduit certaines caractéristiques essentielles du matériau, ce qui limite potentiellement son utilisation dans certaines des conditions les plus chargées mécaniquement. Cette limitation a conduit au développement d’un carbure de silicium hybride.

3.0 Carbure de silicium hybride

Le carbure de silicium hybride a été développé pour améliorer et prolonger les caractéristiques physiques du carbure de silicium homogène situé au cœur du matériau tout en y incorporant les avantages propres à un ajout de graphite uniquement sur le grain mobile.

L’intégration de la texture composite à deux phases à un substrat homogène apporte les attributs physiques du carbure de silicium brut et l’amélioration tribologique du composite (brevet en instance).

Ce développement permet à la structure du carbure de silicium composite chargé en graphite d’être adaptée pour une application donnée, ce qui crée la possibilité d’adapter l’interface d’étanchéité à des critères stricts sans affecter la résistance physique ou d’autres attributs du matériau.

Les surfaces à tribologie améliorée peuvent être appliquées à un grain mobile et/ou un diamètre, selon l’utilisation finale du composant (voir ci-dessous). L’épaisseur de la surface améliorée peut en théorie être de 0,2 mm, bien que jusqu’à ce jour, il n’ait été obtenu qu’environ 1 mm.

http://www.morganadvancedmaterials.com