Propriétés physico-chimiques de revêtements aluminium-magnésium élaborés par pulvérisation cathodique magnétron

Physical and chemical properties of magnetron sputtered aluminium-magnesium alloy coatings

• Auteur / Autrice : Jean-Michel Bordes
• Direction : Jean-Philippe Bauer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'Ingénieur. Chimie-Physique
• Date : Soutenance en 1999
• Etablissement(s) : Besançon
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Franche-comté. UFR des Sciences, Techniques et Gestion de l'Industrie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pulvérisation cathodique

Magnésium -- Alliages

Aluminium -- Couches minces

Revêtement métallique

Résumé

Les dépôts sous vide à caractère métallique, capables de fournir une protection de type sacrificiel aux aciers et possédant de bonnes propriétés de frottement et de résistance à la corrosion, n'ont pas encore fait l'objet d'investigations approfondies. Dans cette étude, des dépôts métalliques Al et Mg purs et d'alliages Al-Mg ont été mis en oeuvre par pulvérisation cathodique magnétron à partir de cibles monoatomiques Al et Mg et sectorielles Al/Mg, dans un plasma d'argon, dans le but de substituer le zingage électrolytique et ses traitements associés. L'examen des potentialités de substitution de ces couches minces au zingage électrolytique et de ses traitements associés a été réalisé selon deux approches : (i) une approche théorique au travers de deux caractéristiques importantes mises en jeu dans le procédé de pulvérisation : les rendements de pulvérisation et l'origine en profondeur des atomes pulvérisés. (ii) une approche expérimentale par la caractérisation de ces dépôts, tant du point de vue structural et morphologique que du point de vue mécanique et électrochimique et ceci en fonction des paramètres régissant les dépôts. Notre étude fondamentale nous a permis de dégager quelques conclusions théoriques et pratiques importantes sur le phénomène de pulvérisation cathodique magnétron en général et sur le phénomène de repulvérisation susceptible d'apparaître sur des films bombardés par un flux d'ions argon pendant leur croissance. Notre étude expérimentale nous a permis de montrer que les alliages Al-(15 à 25%at. )Mg peuvent constituer une voie alternative au zingage électrolytique grâce à leurs propriétés physico-chimiques intéressantes : (i) Bonne dureté et structure dense, (ii) Faibles coefficients de frottement (iii) Propriétés sacrificielles et de corrosion intrinsèques optimales, dans ce domaine de composition, sur verre et sur acier (iv) Aspect métallique brillant et attrayant.

Zinc coatings on steel offer the benefits of good corrosion protection and adaptation to current industrial forming and painting techniques. Nevertheless, there is a strong need for the substitution of conventional Zinc layers due to the non favourable properties encountered in the manufacturing of zinc coated steel and the need for thickness reduction because of environmental considerations. In this work, in a first time, calculations of sputtering yields and depth of origin of sputtered atoms have been performed for Al and Mg target materials since literature provides few data on these materials in the PVD processes energy range. We estimated sputtering yields and depth of origin of sputtered atoms from our experimental results or directly from empirical relations and computer simulations with the use of the computer program Transport of Ions in Matter code (TRIM. SP). Our results allowed us to explain, among other things, the Mg resputtering phenomena who appears on Al-Mg alloys coatings surfaces when a strong bias voltage is set to the substrates. In a second time, we developed a suitable alternative for conventional zinc coatings. New multifunctional coatings based on pure Al and Mg metals and their binary alloys were deposited on glass and steel substrates by a physical vapor deposition (PVD) process : balanced magnetron sputtering with the use of circular planar targets composed of sequential sectors of Al and Mg. Our study showed that the peak in performance observed in the 3% sodium chloride solution for the sputtered deposits containing approximately 15-25wt% Mg represented an optimum balance being attained between the barrier and sacrificial properties of the Al-Mg alloy coatings. Moreover, this composition range presented better properties in terms of hardness, low friction coefficients and dense structure.