SURFACE TREATMENTS AT CERN Groupe TE/VSC/SCC SURFACE TREATMENTS AT CERN FLORENT FESQUET PIERRE MAURIN Bonjour je me présente pour ce qui ne me connaisse pas, Pierre Maurin et voici Florent Fesquet. Nous travaillons tous les deux au Bâtiment 102, dans l’atelier des traitements de surface. Nous allons vous présenter aujourd’hui, nos activités de traitements de surface au sein du CERN. 4 juillet 2014 TE-VSC

Outline 1. Infrastructure dedicated to surface treatment 2. Cleaning and degreasing of parts for UHV applications Why doing a deposition? Preparation of stainless steel prior to electroplating Silver plating on aluminum alloys 4. Improvement and development 3. The electrolytic deposition at CERN En premier lieu je vais vous presenter la la outline de cette presentation avec les différentes parties que nous allons traiter. En 1 les infrastructure dédiés au traitement de surface. En 2, les préparations des pièces pour les applications UHV En 3 Les dépôt électrolytique au CERN Avec des exemples d’application de dépôt, suivit d’un cas concret de dépôt d’argentage sur aluminium En 4, nous allons parler rapidement de la partie station d’épuration Et en 5, les améliorations et développements en cours 4 juillet 2014 TE-VSC

Infrastructure dedicated to surface treatment 4 juillet 2014 TE-VSC

Building 867 (Site Prevessin) Surface cleaning of large parts intended for UHV applications Preparation copper OFE Preparation Stainless steel Tank DTL Linac 4 Tube Max IV Infrastructure dedicated to surface treatment Preparation aluminum alloy Il faut savoir que nous possédons 3 ateliers liées au traitement de surface, chaque atelier à sa particularité. Le bâtiment 867, basé sur le site de Prevessin est sollicité pour le dégraissage pour l’UHV de toutes pièces de grande dimension. On peut voir sur ces photos des pièces de différentes matières, comme par exemple ici des tubes en cuivre Max IV de 6 mètres de long Chambre VJ ATLAS 4 juillet 2014 TE-VSC

Building 118 (Site Meyrin) Surface preparation: chemical polishing and electropolishing of copper and Nobium Chemical polishing of copper and niombium Cavity HIE- ISOLDE Infrastructure dedicated to surface treatment Superconducting cavity CRAB Electropolishing of Niobium and copper Superconducting cavity 5 cells Niobium for SPL (700 MHz) Copper test cavity (1300 MHz) Le bâtiment 118 est plutôt destiné au polissage Chimique et électropolissage de cavité en cuivre et nobium destiné pour ISOLDE et SPL. Un exemple, afin d’améliorer la granularité du cuivre et ainsi favoriser l’accroche du NEG, nous réalisons un SUBU, c’est-à-dire un polissage chimique de la surface de la cavité. 4 juillet 2014 TE-VSC

Building 102 (Site Meyrin) Surface preparation of large parts intended for UHV applications Electropolishing stainless steel Guide-Onde LINAC4 stainless steel Ceramic BGV Aluminum chamber Connector stainless steel Disque of copper cavity PIMS Electrolytic deposition on stainless steel, copper and aluminum Infrastructure dedicated to surface treatment Copper electroplating Couvercle Tank LINAC 4 Rhodium electroplating Tube de transition LHCVSR Gold electroplating Chambre LINAC Silver electroplating Doigts de contact écran TDI Le bâtiment 102 est putôt destiné à électrodéposition, même s’il reste concentré sur la préparation de surface avec à disposition 4 lessives pour l’UHV et des différentes préparations de décapage. Les pièces suivantes montrent la palette de dépôt réalisé au sein de notre atelier, mais je reviendrais plus en détail sur la partie traitement plus tard dans la présentation. 4 juillet 2014 TE-VSC

Cleaning and degreasing of parts for UHV applications 4 juillet 2014 TE-VSC

Degreasing aqueous phase Why cleaning a part ? Cutting Oil Oil pump vacuum Bearing grease Handling Packaging GREASE MINERAL ANIMAL MATERIAL Preparation of parts for UHV applications Eliminate grease which pollute surface. Eliminate the solid particles present in bold (i.e. particles machining, graphite residuals… Alors la question est: Pourquoi dégraisser une pièce? Afin d’éliminer les corps gras présent en surface du substrat. Il existe deux types de corps gras à éliminer, les corps gras minéral issuent des résidues d’huile, de graphites ou de silicones Et les corps gras animals qui proviennent d’une simple manipulation ou du conditionnement. Si on ne vient pas éliminer ces souillures en surface de la pièce, cela peut poser des problèmes lors des phases de dégazage ou avant dépôt à cause d’une mauvaise adhérence. Reduction of vacuum outgasing. Prepare the surface before vacuum deposition or electrolytic plating. 4 juillet 2014 TE-VSC

Purpose of degreasing THE ALCALINE ELEMENTS THE SURFACTANTS (wetting) Take off the grease stains and « trap » with surfactants Sodium silicate : Increase the wettability and etching inhibition. Phosphates : Sequestrant power and enhancement of the action of surfactants. THE SURFACTANTS (wetting) The surfactants lower the surface tension and capture of oil drops. Preparation of parts for UHV applications - - - + HYDROPHOBIC + + - - OIL Nous possédons 2 types de lessives dans nos différents ateliers: NGL 17-40 ALU III spéciale pour les cuivres, INOX, Alumium et autres ALMECO essentiellement pour les INOX Ces 2 dégraissage possèdent une composition de base identique avec des actions biens définis: Les produits alcalins qui constituent le squelette minéral du dégraissant et qui présentent des actions détergentes (émulsification, peptisation). Pour les citer on peut parler des silicates de sodium qui confèrent une bonne alcalinité de la solution et des bons pouvoirs d’émulsification. Ils limitent l’attaque des métaux amphotères. Les phosphates eux aussi admettent des bonnes propriétés détergentes, voir des propriétés complexantes pour les polyphosphates. Ils abaisssent les tensions interfaciales en synergie avec les tensio-actifs. Les tensio-actifs permettent par leur action de modifier les tensions interfaciales et favorise le décrochage des huiles de surface. Les propriétés détergentes résultent de l’opposition entre les deux parties de la molécule. Une partie hydrophobe mais lipophile (chaine carbonée) qui a une affinité pour les milieux organiques et en particulier les corps gras. Une partie hydrophile qui présente une attirance à l’eau. Cette modification interfacielle crée entre l’huile et le métal donne lieu à une mise en suspension de petites gouttelettes d’huile. + + - + HYDROPHILIC + + - - - Action of an anionic surfactant Stable emulsion 4 juillet 2014 TE-VSC

Choice of degreasing processes based on materials Solvent Machine Halogenated / hydrocarbon mixture example of carbon chain : Ferrite Tungsten Ceramic Delicate parts Silicone valve Porous materials Evaporation of the solvent Operating range: Preparation of parts for UHV applications Loading Precleaning cosolvent activated U.S Cleaning solvent activated U.S Rinse solvent activated U.S Rinse solvent vapors Drying Unloading Je viens de vous parler des dégraissants lessiviels, mais pour certains types de pièces les produits lessiviens peuvent poser problèmes voir ne sont pas assez efficaces. C’est pour cela que nous possédons au CERN une machine aux solvants qui nous permet de dégraisser des pièces délicates, poreuses, ou siliconés. Cette machine permet une évaporation totale du solvant et contrairement à la lessive ne limite pas sont utililsation sur ce type de pièce. Machine solvent 4 juillet 2014 TE-VSC

Preparation of parts for UHV applications Action of ultrasound The 3 steps of the mechanism of action of ultrasound : Asymmetric implosion of a cavitation bubble near a solid surface Air bubbles 1 2 3 1- The cavitation effect Appearance of bubbles between the substrates and greases 2- The effect of pressure Compression of the air bubble 3- Implosion of air bubbles Drop the grease from the surface Preparation of parts for UHV applications Frequencies used in chemical degreasing : 20 kHz for the copper and 40 kHz for the aluminum Chaque bain de dégraissage des différents atelier travaillant avec des lessives sont équipées d’ultrasons. Les ultrasons permettent d’améliorer considérablement un dégraissage par l’ajout d’une action mécanique qui intervient directement en surface de la pièce. Les ultrasons interviennent en 3 phases lors d’un dégraissage: 1- L’apparition de bulles qui viennent s’intercaler entre le substrat et les graisses en formant un effet de cavitation. 2- S’en suit une phase de compression de la bulle entre l’huile et le substrat. 3- Ce qui entraine une implosion de la bulle d’air et le décrochement simultané de la graisse. Cette méthode est combiné au pouvoir détergent des éléments présents dans la solution. Cette combinaison améliore nettement le dégraissage pour l’UHV. La fréquence d’utilisation des ultrasons est déterminée en fonction du substrat à dégraissé. Il faut savoir que plus la fréquence est élevée, plus les bulles formées sont petites, ce qui peut être déterminant pour des substrats comme l’aluminium dont la surface est porose. IMPROVES considerably degreasing power 4 juillet 2014 TE-VSC

Electrolytic deposition at CERN 4 juillet 2014 TE-VSC

Why doing a deposition? Electrolytic deposition at CERN COPPER PLATING : Thermal conductivity and electrical conductivity (reduction of impedance), RF Chamber BGV SILVER PLATING: Electrical conductivity (electrical contact) Low friction, seizure Contact fingers Electrolytic deposition at CERN GOLD PLATING : Chemically stable in the atmosphere and electrical conductivity Comme parlé précédemment, nous possédons aussi différents bains de traitement de surface propre à la demande. Cuivrage électrolytique, utilisé pour des faibles ou fortes épaisseurs permet d’améliorer la conductivité thermique et électrique d’un substrat. Il permet de réduire l’impédance. Argentage électrolytique, avec des dépôts allant de 5 microns à 30 microns pour les fortes épaisseurs. L’argentage permet d’améliorer la conductivité électrique comme ici sur les doigts de contact. Il diminue la friction. Contact fingers RHODIUM PLATING: Resistant to high temperature and very high hardness (prevents galling vacuum with the couple Rh-Ag) and seizure Tube transition 4 juillet 2014 TE-VSC

Preparation of stainless steel before deposition 4 juillet 2014 TE-VSC

Characteristic of stainless steel Standardization of a stainless steel Mechanism passivating a stainless steel Ex : Stainless Steel 316 LN 4 Cr + 3 O2 2 Cr2O3 (X2CrNiMo 17-12) X2  : Alloy steel containing 0,02 % carbon Cr : 16 – 18 % Chrome Ni : 11 – 14 % Nickel Mo : 2 – 3 % Molybdène Preparation of stainless steel before deposition Oxide chromium Cr2O3 Les aciers INOX sont des aciers avec alliage de chrome, nickel, molybdène pour les INOX 316LN. Les éléments de chrome présent dans l’acier réagissent en contact avec l’oxygène. Cette réaction vient créer une couche passivante de Cr2O3 en surface et protège l’acier de la corrosion. 4 juillet 2014 TE-VSC

Preparation of stainless steel prior to electroplating SULFURIC INVERSION Elimination of the passive layer WOOD NICKEL As bonding layer Ni2+ + 2e- Ni Reduction : Anode nickel H3O+ Ni2+ e- - + Cathode lead - + O2 H2SO4 Stainless stell Cl- Stainless stell Preparation of stainless steel before deposition Afin de réaliser un dépôt sur INOX, nous devons nous débarrasser de cette couche passivante qui perssiste en surface. Pour cela nous réalisons une inversion sulfurique, c’est à dire que nous faisons l’inverse d’un dépôt. On vient attaquer électrochimiquement dans un bain acide la surface passivante de l’INOX. Cette étape permet par la suite de réaliser un dépôt de sous couche de nickel de wood. Ce bain de nickel acide permet d’effectuer une sous couche d’accroche de 2/3 microns pour les dépôts ultérieurs. Applications : Undercoat prior to electroplating Nickel plating chamber BELLOW 4 juillet 2014 TE-VSC

Preparation of stainless steel prior to electroplating 1 1. Substrate type and geometry. 2. Study of assembly: Nature of deposit, anode assembly, masking and electrical contacts. 3. Mounting: positioning of the anode, contact verification and assembly. 4. Treatments according to operative range: monitoring the operative range. 5. Control of deposit: Aspect, deposit thickness. Electrolytic deposition at CERN 2 3 4 5 Lors de la réception d’une pièce: On étudie le type de substrat, est ce que c’est de l’inox, du cuivre ainsi que la géométrie. Cette étape permet d’élaborer un montage, de voir les zone à épargner, la mise en place des contacts, l’orientation de la pièce face aux anodes et l’intégration de l’agitation. Assemblage du montage. Réalisation du dépôt en respectant une gamme bien définit selon le type de substrat. Et enfin lorsque la pièce et terminer vérification du dépôt et de l’épaisseur demandé. C’est pour cela qu’il est important d’intégrer le TS dans vos projets 4 juillet 2014 TE-VSC

Electrolytic silver plating on aluminum alloys Contact Strip and Strip Line (Experiment AD) 4 juillet 2014 TE-VSC

Electrolytic silver coating on aluminum alloys Plane stripline Horn + Stripline Stripline Junction Box Electrolytic silver coating on aluminum alloys Silver plating 20 microns 4 juillet 2014 TE-VSC

Electrolytic silver coating on aluminum alloys Procedure Old procedure New procedure Surface preparation Degreasing / Etching Surface preparation Degreasing / Etching Step 5 Nickel-Zinc plating Step 6 Nickel Sulfamate Step 7 Pre Silver plating Step 8 Silver plating Step 5 Double-Zincate Step 6 Nickel Sulfamate Step 7 Pre Silver plating Step 8 Silver plating Electrolytic silver coating on aluminum alloys OPTIBOND CONCENTRATE Pell-off gold coating 4 juillet 2014 TE-VSC

Characteristics of aluminum Equilibrium diagrams voltage-pH Aluminum-water system at 25°C 4Al + 3O2 2Al2O3 O2 Al2O3 Forming a thin oxide layer of alumina ALUMINUM ALLOYS Thickness 2 to 4 nm Electrolytic silver coating on aluminum alloys (Al) Area of ​​water stability thermodynymique ALUMINUM IS AMPHOTERIC METAL 4 juillet 2014 TE-VSC

Preparation of aluminum alloys Step 3 : Sodium Stripping Step 4 : whitening Sodium hydroxide at 40ºC ALUMINUM Serie 2000 (Copper) Cuivre Nitric acid Al + 2NaOH + 2H2O 2NaAlO2 + 3H2 Magnesium ALUMINUM ALLOYS ALUMINUM Serie 5000 (Magnésium) Nitric acid + Sulfuric acid Electrolytic silver coating on aluminum alloys ALUMINUM Serie 6000 (Silicium) Silicium Nitric acid + Fluorhydric acid Dissolution of alloying elements Dissolution of alumina 4 juillet 2014 TE-VSC

Principe of chemical zinc (Double zincate) Step 5 : Double Zinc plating After stripping reformation of native alumina layer ZnO22-/Zn AlO2-/Al Eº(V) ALUMINUM ZnO22- Na+ OH- ZINCATE ZnO + NaOH -0.76 V Electrolytic silver coating on aluminum alloys - 1.66 V 2Al + 3ZnO22- + 2H2O 2AlO2- + 3Zn + 4OH- Formation of a chemical deposition by zinc displacement Few nanometer thickness 4 juillet 2014 TE-VSC

Principe of chemical zinc (Double zincate) Evolution of coating weight between 1st and the 2nd Zincate Weight of the zinc layer (mg/dm2) 2ème zingage 10 9 Dissolution (HNO3) 8 7 6 1er zingage 1er 5 Electrolytic silver coating on aluminum alloys 4 3 2 1 1 1 Time (min) Provides a thinner deposit with a more compact structure 4 juillet 2014 TE-VSC

Nickel sulfamate electroplating Step 6 : Nickel Sulfamate Sublayer Nickel sulfamate electrolyte (dip the piece under current) ALUMINIUM Deposit Zincate (a few nanometers) Nickel deposit Sulfamate 2/3 µm Deposit Nickel sulfamate Good covering power and deposition constraints Parameters : pH 5.5 Temperature : 50ºC Currents density : 2 - 16 A/dm2 Deposition rate : 0.5 µm/min to 10 A/dm2 Electrolytic silver coating on aluminum alloys 4 juillet 2014 TE-VSC

- + Silver plating Step 7 :Silver plating Moving powdery silver plating on a nickel coating Ag+ / Ag Ni2+ / Ni E° + 0.80 V -0.23 V Cu2+ / Cu + 0.34 V (V) Nickel metal Ag+ Silver electrolyte Ag+ + 1e Ag Ni Ni2+ + 2e 2Ag+ + Ni 2Ag + Ni2+ Reduction Oxydation Reaction sheet Electrolytic silver coating on aluminum alloys Pre-Silvering : G Ag+ + - K[Ag(CN)2]- CN- AgCN + KCN K[Ag(CN)2] Silver Formulation [AgCN] : 4 g/L [KCN] : 90 g/L Double silver cyanide (complex) Double silver cyanide enables the lowering of the potential difference between the metal surface (nickel) and silver in solution and prevents the displacement deposition. Nickel / Alu Concentration Ag+ free low Pre-silvering 4 juillet 2014 TE-VSC

Double silver cyanide (complex) Silver plating Silvering : G Ag+ + - K[Ag(CN)2]- CN- Silver Formulation [AgCN] : 37 g/L [KCN] : 130 g/L Concentration Ag+ free high The silver in a uniform power distribution and allows to obtain a deposit until 30 microns AgCN + KCN K[Ag(CN)2] Double silver cyanide (complex) Silvering Contact Streap (AD) Pré-Argent / Alu Ag+ Electrolytic silver coating on aluminum alloys Strip-line AD 4 juillet 2014 TE-VSC

Improvement and development 4 juillet 2014 TE-VSC

Analysis and water treatment plant Workshop 118 Workshop 102 Effluent Effluent Eaux Claires Boues Spectromètre d’Emission Optique (ICP-OES) 4 juillet 2014 TE-VSC

Improvement and Development (Laboratory) Optimization of the treatment plant Essai en Jar-test de précipitant en neutralisation - Contact providers specialized in water treatment product - Purchase of a test bench (Jar-test) - Testing of different organic precipitants Optical Emission Spectrometer (ICP-OES) Following overruns on copper water discharges : - Supernatant by ICP analysis and determination of the most appropriate methods to our effluent. Analysis of the supernatant Metal hydroxide sludge Effluents after decantation 4 juillet 2014 TE-VSC

Improvement and Development (Laboratory) Qualification of new processes for copper chemical degreasing Contact suppliers specialized in surface treatment (new processes) - Contamination of samples of copper and chemical degreasing samples according to procedure - Qualification of processes by measuring the residual carbon surface (XPS) https://edms.cern.ch/document/997363/3 Analysis methods surfactants in treatment baths surface science line t60 Monitoring the concentration of surfactants in chemical degreasing baths by measuring surface tension. 4 juillet 2014 TE-VSC

Improvement and Development (Workshop) Echantillon 3 (LHCb Velo) Etching for the thinning of the sample 3 (LHCb Velo) : Establishment of a procedure for etching chambers VELO (LHCb) Achieving chamber with integrated copper electroforming layer NEG: Dévelopment of new sequences copper plating by pulsed current Tube électroformé Fabrication by electroforming nozzle gas diffusion : Microbuses Electroformages of micronozzles for injecting a hydrogen micro-jet in the CERN accelerators 4 juillet 2014 TE-VSC

THANK YOU FOR YOUR ATTENTION! Building new surface treatment (107) planned for 2016 THANK YOU FOR YOUR ATTENTION! 4 juillet 2014 TE-VSC