Étude micro structurale et mécanique de revêtements de nitrure de titane et d'aluminium déposés par pulvérisation magnétron réactive (mode pulsé ou continu)

Microstructural and mechanical study of titanium and aluminum nitride coatings deposited by reactive magnetron sputtering (pulsed or continuous mode)

• Auteur / Autrice : Ahmed El Mouatassim
• Direction : Marie-José Pac, Thierry Cabioc'h
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 01/07/2019
• Etablissement(s) : Mulhouse
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique et mécanique textiles (Mulhouse) - Laboratoire de Physique et Mécanique Textiles - LPMT - UR4365 / LPMT

Mots clés

Mots clés contrôlés

Phases MAX

Dépôt en phase vapeur

Traitements de surface

Matériaux céramiques

Magnétrons

Couches minces

Mots clés libres

Films minces (Ti,AI)N

PVD-RGPP

Micro et nanostructure

Propriétés mécaniques

Phases MAX

Thin films (Ti,AI)N

PVD-RGPP (Physical Vapor Deposition)

Micro and nanostructure

Mechanical properties

MAX phases

Résumé

L'objet de la thèse est l'étude de films monocouches et multicouclies du système (Ti-Al-N) utilisés principalement comme revêtements d'outils de coupe. Le but a été d'étudier la structure et le comportement mécanique d'une série de films Tii-xAlxNy déposés par pulvérisationinagnétron réactive à partir d'une cible TiAl frittée, et de multicouches Tii-xAlxNy/Tii.xAl>;N à différentes périodes. L'étude structurale des films monocouches a montré que le changement du débit d'azote injecté n'avait pas d'influence sur la stoechiométrie en azote ; mais a généré néanmoins une différence de contraintes dans le film qui a joué à son tour un rôle dans l'adhésion et la dureté des dépôts. Pour les fîlms multicouches, deux compositions ont été choisies. Pour les films céramique/céramique et pour deux périodes (12 et 34 nm), les obsen/ations au MET ont montré que la structure multicouche n'existe que pour les 400 premiers nanomètres. Les analyses en EDXS ont montré que cette alternance de couche s'expliquait par la présence d'oxygène piégé dans le circuit d'azote et déposé involontairement. Les propriétés mécaniques de ces revêtements ont été trouvées proches de celles mesurées pour les films monocouches. Pour la composition TiAl/(Ti,Al)N, la structure multicouche a été maintenue tout au long du dépôt mais avec une épaisseur de la couche (Ti,Al)N plus importante que celle de TiAl ; ceci provient du temps nécessaire à la cible pour sa transition du régime empoisonné au régime non empoisonné. Ces films ont révélé une plus faible dureté, en raison des liaisons métalliques (moins dures que les liaisons covalentes), mais ont montré de meilleures résistances à l'usure et adhésion.

The subject of the thesis is to study monolayer and multilayer films of the (Ti-Al-N) system used mainly as cutting tool coatings. The aim was to study the structure and the mechanical behavior of a series of films Tii-xAlxNy deposited by reactive magnetron sputtering from a sintered TiAltarget, and Tii^AliNy multilayers. Tii^AliN with different bilayer thicknesses.The structural study of the monolayer films showed that changing the injected nitrogen flow did not influence the nitrogen stoichiometry ; but nevertheless generated a difference of strains in the film which played a role in the adhesion and the hardness of the films. For multilayer films, two compositions were chosen. For ceramic/ceramic films and for the two periods (12 and 34nm), the TEM observations showed that the multilayer structure only exists for the first 400 nanometers. EDXS studies have shown that this layer alternation is explained by the presence of trapped oxygen in the nitrogen circuit and deposited involuntarily. The mechanical properties of these coatings were found close to those measured for monolayer films. For the TiAl/(Ti,Al)N composition, the multilayer structure was maintained throughout the deposition but with a thickness of the (Ti,Al)N layer greater than that of TiAl; this comes from the time needed for the target to transition from the poisoned mode to the unpoisoned one. These films revealed a lower hardness, due to the metallic bonds (less hard than the covalent bonds), but showed better resistance to wear and adhesion.