Elaboration de dépôts nano-composés par pulvérisation cathodique magnétron pour la substitution du chrome électrolytique

par Zhiguo Zhang

Thèse de doctorat en Sciences pour l'ingénieur

Sous la direction de Christian Coddet.

Soutenue en 2008

à Besançon en cotutelle avec l'Université de Technologie de Belfort-Montbéliard .


  • Résumé

    Cette thèse concerne l’élaboration et la caractérisation de multicouches à base de CrN pour le remplacement du chrome électrolytique. L’objectif principal est d’élaborer des revêtements, dont les propriétés (structurales, mécaniques, tribologiques, etc …) sont contrôlables par pulvérisation cathodique magnétron. Les structures des dépôts sont caractérisées par diverses techniques telles que la Spectroscopie à Décharge Luminescente (SDL), la Diffraction de Rayons X (DRX), la Microscopie Electronique à Balayage (MEB), la Microscopie Electronique à Transmission (MET). Les propriétés mécaniques, tribologiques et de corrosion des dépôts sont évaluées en utilisant respectivement un nano-indentateur, des tests de rayure et de pion-disque et des mesures de polarisation dynamique. La première étude concerne la synthèse du nitrure de chrome. Les courbes de la tension de la décharge et de la pression totale en fonction du débit d’azote injecté sont utilisées pour prévoir la phase d’obtention du nitrure de chrome. L’analyse optique par spectroscopie d’émission (OES) a permis de corréler le taux d’azote dans les revêtements avec la tension de polarisation du substrat. La deuxième étude concerne le système Cr-Zr-N. Dans un premier temps, le zirconium est introduit en solution solide dans CrN pour former CrN(Zr). Des multicouches CrN/ZrN à l’échelle nanométrique sont ensuite élaborés avec des périodicités comprises entre 11. 7 et 66. 7 nm. Concernant la dureté des revêtements, on a montré que CrN(Zr) présente un maximum de dureté de 240 GPa à 1,5 at. % de ZrN. Par ailleurs, les multicouches CrN / ZrN présentent une valeur de dureté constante de 29 GPa. Les essais de corrosion réalisés sur ses dépôts ont montré une bonne stabilité chimique des revêtements et de faibles densités de courant. Du silicium est ensuite ajouté au système multicouche CrN / ZrN. Les revêtements multicouches CrSiN / ZrN et CrN / ZrSiN avec des périodicités différentes sont synthétisés et forment des structures nanocristalline/amorphe. Une amélioration de la tenue à la corrosion pour le système CrSiN /ZrN est observée comparée aux monocouches CrN et ZrSiN. De même, la structure CrN / ZrSiN permet une bonne combinaison de la dureté élevée de ZrSiN et de l’excellente résilience de CrN. De plus, on constate que l’addition du silicium dans ZrN empêche de manière efficace la corrosion de type piquration.

  • Titre traduit

    Elaboration of nano-composite coatings using sputerring processes with application to the substitution of electrolytic Cr coating


  • Résumé

    This research focuses on the synthesis and characterization of CrN based multilayer coatings for the replacement of electrolytic chrome. The studied materials include chromium nitrides coatings Cr-Zr-N ternary multiple phase and multilayer coatings and Si added CrN / ZrN multilayer coatings. The main objective of this thesis si to deposit the controllable coating structure and properties based on a magnetron sputtering technology so that the coating performance can be optimized to satisfy the replacement of Cr in industry scale. Coating structures are characterized by various techniques such as glow discharge optical spectrometer (GDOS), X-ray diffraction (XRD), scaning electronic microscope (SEM), transmission electronic microscope (TEM). The mechanical, tribological and corrosion properties of the deposited coatings are evaluated using nanoindentation, scratch test, pin-on-disk, dynamic polarization techniques respectively. The first study is related to chromium nitride coatings with controllable structure; The hysteresic curve and target voltage versus nitrogen flow rate curve are used to predict the phase evolution on chromium nitride. Optical emission spectroscopy (OES) analysis for various RF biases reveals that the increased substrate bias leads the nitrogen content to decrease. The second study is concentrated on Cr-Zr-N system. Solid solution CrN(Zr) coatings and nanoscale multilayer CrN/ZrN coatings with bilayer thickness (^) ranging from 11. 7 to 66. 7 nm are prepared. CrN(Zr) coatings show a maximum hardness value of approximately 24 GPa while CrN / ZrN multilayers present constant hardness of 29 GPa. In corrosion tests, these coatings show good chemical inert and very low corrosion current densities. To enhance the performance of CrN / ZrN multilayers, a further effort to add Si into CrN / ZrN multilayer is carried out. The deposited CrSiN / ZrN multilayer coatings with ^ from 13. 4 nm to 86. 9 nm have nanocrystalline/amorphous structure (nc-CrSiN / a-ZrN). They demonstrate elevated corrosion potentials in comparison with the single layers. On the other hand, CrN / ZrSiN multilayers with ^ from 11 nm to 153 nm form nancrystalline/amorphous period structure (nc-CrN / a-ZrSiN). This multilayer structure shows a good combination of high hardness from ZrSiN and good toughness from CrN. The addition of Si into ZrN individual layer has been shown to be an efficient way to inhibit pitting corrosion.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (177 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 167-177

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  • Bibliothèque : Bibliothèque universitaire Lucien Febvre (Belfort).
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : Th.Sc.2008.15.B
  • Bibliothèque : Université de technologie de Belfort-Montbéliard. Bibliothèque.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : THESE 08 ZHA
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