Mise au point par pulvérisation cathodique magnétron en condition réactive et caractérisations ...

176 Pages·2014·6.93 MB·French

Mise au point par pulvérisation
cathodique magnétron en condition
réactive et caractérisations mécaniques
et tribologiques de revêtements de
phases Magnéli de titane (Ti O )
n 2n-1

Yunfang GUI

- 1 -

N° d’ordre : 235 Année 2014

Ecole Doctorale Sciences Physiques pour l’Ingénieur et Microtechniques (SPIM)
Université de Technologie de Belfort-Montbéliard (UTBM)

THESE

Présentée pour obtenir le grade de
Docteur de l’Université de Technologie de Belfort-Montbéliard en Matériaux
Par

Yunfang GUI

Mise au point par pulvérisation cathodique magnétron en condition
réactive et caractérisations mécaniques et tribologiques de
revêtements de phases Magnéli de titane (Ti O )
n 2n-1

Soutenue le 02 juillet 2014 devant le jury composé de :

Rapporteurs :
Jean-François PIERSON, Professeur des Universités, Institut Jean Lamour, Université de
Lorraine, France
Frédéric SANCHETTE, Professeur des Universités, Université de Technologie de
Troyes, France

Examinateurs :
Nicolas MARTIN, Professeur des Universités, Institut FEMTO-ST, France
Aurélien BESNARD, Maître de Conférences, LaBoMaP, Ecole Nationale Supérieure
d’Arts et Métiers, France
Alain BILLARD, Professeur des Universités, IRTES-LERMPS, Université de
Technologie de Belfort-Montbéliard, France
Frédéric LAPOSTOLLE, Maître de Conférences, IRTES-LERMPS, Université de
Technologie de Belfort-Montbéliard, France

Remerciements

Je tiens tout d’abord à remercier monsieur le professeur Christian Coddet,
monsieur le professeur Ghislain Montavon et madame le professeur Cécile Langlade,
les directeurs du Laboratoire d’Etudes et de Recherches sur les Matériaux, les Procédés
et les Surfaces (LERMPS) de l’Université de Technologie de Belfort-Montbéliard (UTBM),
pour m’y avoir accueillie. J’adresse également mes remerciements au Pays de
Montbéliard Agglomération (PMA) pour le soutien financier à ces travaux.
Je tiens à remercier monsieur le professeur Jean-François Pierson de
l’Université de Lorraine, monsieur le professeur Frédéric Sanchette de l’Université de
Technologie de Troyes, monsieur le professeur Nicolas Martin de l’Institut FEMTO-ST
et le Dr. Aurélien Besnard de l’Ecole Nationale Supérieure d’Arts et Métiers de m’avoir
fait l’honneur de constituer mon jury de thèse.
Je remercie mon directeur de thèse, monsieur le professeur Alain Billard. Je lui
adresse l’expression de ma reconnaissance pour m’avoir suivie, encadrée et soutenue
tout au long de ce travail de recherche.
Je remercie également monsieur le Dr. Frédéric Lapostolle pour avoir accepté
d’être mon co-encadrant.
J’adresse mes remerciements distingués à monsieur le professeur Hanlin Liao et
madame Martine Coddet pour leur importante participation à ce travail. Ses conseils
et connaissances m’ont été précieux.
Je remercie également mes collègues doctorants pour les bons moments passés
ensemble : Soumia Lardjane, Imane Sayah, Asmae Hamzaoui, Eloi Dereeper,
Jérémy Courtier, Jérémie Fondard, Hui Sun, Halim Baida etc.
J’exprime ma gratitude envers l’ensemble du personnel travaillant au laboratoire
pour la bonne ambiance de tous les jours et plus particulièrement :
- I -
- Dr. Eric Aubry, Dr. Pascal Briois, Dr. Zhiguo Zhang, Dr. Mohammad Arab
pour Yazdi, Dr. Salim Lamri pour leurs conseils scientifiques,
- Monsieur Christian Petitot, Monsieur Khalid Neffaa, Monsieur Eric Monsifrot
pour la maintenance de la machine PVD,
- Dr. Olivier Rapaud, Dr. Sophie Lamy, Madame Odile Ribet, Monsieur Bruno
Nicolas, Madame Emmanuelle Arcens pour les caractérisations.
J’adresse mes pensées et ma sincère reconnaissance à ma famille et à ma
belle-famille, pour leur soutien constant tout au long de mes études et de mon
doctorat.
Je n’oublierai jamais Sihao Deng, mon mari, pour sa gentillesse, pour les
sacrifices dont il a fait preuve pour me suivre dans cette recherche, pour son soutien et
sa confiance de tous les instants dans les moments de joie comme de peine.
Enfin, je réserve mes sentiments les meilleurs à ma petite famille.

- II -
Table des matières

INTRODUCTION GENERALE ....................................................................... 1

CHAPITRE I
ETAT DE L’ART
I.1. Introduction ................................................................................................................... 7
I.2. De la tribologie aux lubrifiants solides ........................................................................ 8
I.2.1. Le frottement ............................................................................................................... 9
I.2.2. L’usure ....................................................................................................................... 11
I.2.3. La lubrification et les lubrifiants ............................................................................... 12
I.2.4. Les lubrifiants solides ................................................................................................ 13
I.2.5. Intérêt des Phases Magnéli de titane (Ti O ) ......................................................... 14
n 2n-1
I.3. Propriétés des Phases Magnéli de titane ................................................................... 15
I.3.1. Système Ti – O : diagramme de phases ..................................................................... 15
I.3.2. Structures cristallines et données cristallographiques ............................................... 18
I.3.3. Propriétés mécaniques et tribologiques ..................................................................... 22
I.3.3.1. Dureté ............................................................................................................. 22
I.3.3.2. Comportement en frottement sec .................................................................... 26
I.3.4. Problèmes rencontrés et solutions possibles .............................................................. 31
I.4. Techniques de synthèse des couches minces sous vide ............................................. 32
I.4.1. Existence de différentes techniques ........................................................................... 32
I.4.2. Choix de la technique expérimentale ......................................................................... 33
I.5. Conclusions et objectifs des travaux .......................................................................... 35
I.6. Références bibliographiques ...................................................................................... 37

- III -
CHAPITRE II
TECHNIQUES EXPERIMENTALES ET DE CARACTERISATIONS
II.1. Introduction ................................................................................................................. 45
II.2. Procédure d’élaboration du revêtement bicouche ................................................... 46
II.3. Pulvérisation cathodique ............................................................................................ 47
II.3.1. Pulvérisation cathodique magnétron en atmosphère neutre ................................... 47
II.3.2. Pulvérisation cathodique magnétron en condition réactive ................................... 49
II.3.2.1. Instabilités électriques .................................................................................... 49
II.3.2.2. Instabilité du régime de pulvérisation ............................................................ 50
II.4. Dispositif expérimental et procédures de dépôts de phases Magnéli de titane ...... 52
II.4.1. Description du réacteur et des périphériques ......................................................... 52
II.4.2. Choix des substrats et préparation ......................................................................... 54
II.4.3. Procédures et principaux paramètres de dépôts ..................................................... 54
II.5. Dispositif expérimental et procédure de dépôts de la sous couche AlTiN .............. 56
II.6. Techniques de caractérisations .................................................................................. 58
II.6.1. Caractérisations structurales, chimiques et morphologiques ................................. 58
II.6.1.1. Diffraction des Rayons X (DRX) .................................................................... 58
II.6.1.2. Spectroscopie Raman ..................................................................................... 59
II.6.1.3. Microscope électronique à balayage (MEB) équipé d’un détecteur EDS ...... 59
II.6.1.4. Microscopie optique ....................................................................................... 60
II.6.1.5. Profilomètre 3D – Altisurf 500 ....................................................................... 61
II.6.1.6. Profilomètre optique 3D – Wyko NT 1100 ..................................................... 61
II.6.2. Caractérisations mécaniques et tribologiques ........................................................ 62
II.6.2.1. Dureté et module de Young : nano dureté instrumentée ................................ 62
II.6.2.2. Adhérence (1) : test Mercedes ........................................................................ 65
II.6.2.3. Adhérence (2) : scratch test ............................................................................ 66
II.6.2.4. Frottement et usure : test pion disque ............................................................ 67
II.7. Conclusions .................................................................................................................. 70
II.8. Références bibliographiques ...................................................................................... 71

- IV -
CHAPITRE III
ELABORATION ET CARACTERISATIONS STRUCTURALES ET
MORPHOLOGIQUES DES REVETEMENTS
III.1. Introduction ................................................................................................................. 79
III.2. Elaboration et caractérisation des revêtements Ti O ......................................... 80
n 2n-1
III.2.1. Etalonnage du dispositif de pulvérisation .............................................................. 80
III.2.2. Etude des propriétés structurales des films monocouches ..................................... 83
III.2.3. Etude des propriétés morphologiques des films monocouches ............................. 89
III.2.4. Etude de la vitesse de dépôt ................................................................................... 91
III.3. Elaboration et caractérisation des revêtements duplex Ti O / AlTiN ............... 92
n 2n-1
III.3.1. Etude de la couche de surface d’oxyde de titane ................................................... 92
III.3.1.1. Nature des phases en fonction du débit d’oxygène ......................................... 94
III.3.1.2. Morphologie des films de surface ................................................................... 96
III.3.1.3. Effet du temps de pulvérisation sur les phases en présence ........................... 99
III.3.2. Etude de la sous-couche d’AlTiN ........................................................................ 100
III.3.2.1. Structure de la sous-couche d’AlTiN ............................................................ 100
III.3.2.2. Morphologie de la sous-couche d’AlTiN ...................................................... 101
III.3.3. Réalisation et caractérisation des couches duplex Ti O /AlTiN ...................... 102
n 2n-1
III.3.3.1. Procédé d’élaboration du film duplex .......................................................... 102
III.3.3.2. Etude des propriétés structurales du film duplex ......................................... 103
III.4. Conclusion .................................................................................................................. 104
III.5. Références bibliographiques .................................................................................... 106

CHAPITRE IV
CARACTERISATIONS MECANIQUES ET TRIBOLOGIQUES DES
REVETEMENTS
IV.1. Introduction ............................................................................................................... 111
IV.2. Etude des propriétés des revêtements monocouches.............................................. 112
IV.2.1. Propriétés intrinsèques des revêtements monocouches ....................................... 112
IV.2.1.1. Nano dureté .................................................................................................. 112
IV.2.1.2. Module d’élasticité ....................................................................................... 116
IV.2.2. Fragilité et adhérence des revêtements monocouches ......................................... 118
- V -
IV.2.2.1. Indentation sous forte charge normale : test Mercedes ............................... 118
IV.2.2.2. Rayure mono-passe à charge normale croissante : scratch test .................. 120
IV.2.3. Frottement et usure des revêtements monocouche : test pion disque .................. 121
IV.2.3.1. Coefficient de frottement .............................................................................. 121
IV.2.3.1.1. Effet du débit d’oxygène et de la température du porte-substrat .............. 124
IV.2.3.1.2. Effet du nombre de cycles .......................................................................... 125
IV.2.3.2. Taux d’usure ................................................................................................. 126
IV.2.3.2.1. Effet du débit d’oxygène et de la température du porte-substrat .............. 128
IV.2.3.2.2. Effet du nombre de cycles .......................................................................... 130
IV.3. Etude des propriétés des revêtements duplex Ti O /AlTiN ............................... 132
n 2n-1
IV.3.1. Rugosité des revêtements duplex ......................................................................... 132
IV.3.2. Fragilité et adhérence des revêtements duplex : test Mercedes ........................... 133
IV.3.2.1. Effet de la sous-couche AlTiN et du temps de dépôt des phases Magnéli de
titane ...................................................................................................................... 133
IV.3.2.2. Effet du débit d’oxygène et du temps de dépôt de la couche de surface d’oxyde
de titane ...................................................................................................................... 136
IV.3.3. Frottement et usure des revêtements duplex : test pion disque à différentes
températures ........................................................................................................................ 138
IV.3.3.1. Coefficient de frottement .............................................................................. 140
IV.3.3.1.1. Influence de la température du test, de la nature et du temps de dépôt de la
couche Ti-O de surface ............................................................................................... 141
IV.3.3.1.2. Comparaison entre deux différentes couche de surface : phases Magnéli et
rutile ................................................................................................................... 143
IV.3.3.2. Taux d’usure ................................................................................................. 145
IV.4. Conclusions ................................................................................................................ 149
IV.5. Références bibliographiques .................................................................................... 152

CONCLUSION GENERALE ........................................................................ 155

- VI -