Détermination des contraintes résiduelles dans les revêtements par diffraction des rayons X en faible incidence

Determination of residual stresses in coating by pseudo-grazing incidence X-Ray diffraction method

• Auteur / Autrice : Jun Peng
• Direction : Vincent Ning Ji, Cheldy Braham
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique et matériaux
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contraintes résiduelles

Résumé

Une nouvelle méthode d'analyse par diffraction des rayons X (DRX) en incidence rasante, notée sin2ψ*, a été développée pour répondre à la demande d'analyse du niveau et la distribution des contraintes résiduelles (CR) dans un revêtement. La méthode est basée sur la technique de DRX en faible incidence et elle tient compte des orientations cristallines et de la géométrie de mesure (l'angle d'incidence, les angles ψ et de l'épaisseur de couche à analyser) afin de connaître la profondeur de pénétration exacte du faisceau incident. Par cette méthode, on peut non seulement évaluer le niveau moyen des CR dans le revêtement, mais également déterminer le gradient et la distribution en variant l'angle d'incidence pour différentes profondeurs de pénétration voulues. Les incertitudes de mesure ont été ensuite évaluées, et l'influence de la rugosité de surface a été étudiée avec des éprouvettes sous sollicitation mécanique connue. Un modèle analytique a été établi pour la correction de l'influence de la rugosité sur la détermination des CR. Par ailleurs, une éprouvette en alliage base nickel rectifiée avec un fort gradient de contrainte résiduelle a été étudiée en appliquant notre méthode sin2ψ* pour évaluer la sensibilité de la méthode développée. Deux séries d'échantillons de revêtements (Cuivre sur substrat Ni élaboré par le procédé PVD, et Tantale biphasé sur substrat Ti élaboré par le procédé CVD) ont été étudiées avec la nouvelle méthode d'étude afin d'analyser la distribution des CR. La comparaison des résultats avec deux autres méthodes a montré que cette nouvelle méthode d'évaluation par DRX en faible incidence est fiable et facile à utiliser pour déterminer le niveau et la distribution des CR.

A new Pseudo-Grazing Incident X-Ray Diffraction (Pseudo-GIXRD) method for experimental stress analysis, noticed sin2ψ*, was developed to analyze the residual stress (RS) gradient in coatings. This method takes into account the crystalline orientations, the geometry of measurement (the incidence angle, the tilt angles ψ and the thickness of analyzed layer) in order to know the exact depth of penetration. By this method, we can not only evaluate the average level of the RS in coatings, but also determine the gradient and their distribution by varying the incident angles for various desired penetration depths. Uncertainties of measurement were then evaluated and the influence of the surface roughness was studied with some samples loaded by known mechanical traction. An analytical model was established for the correction of the roughness influence on RS determination. In addition, a machined sample of Nickel based alloy with strong RS gradient was studied by applying our sin2ψ* method to evaluate the sensitivity of this method. Two series of thin film (Cu on the substrate of Ni with a phase obtained by PVD and Tantalum on the substrate of Ti with two phases α and β obtained by CVD) were applied by the new method to study the distribution of RS in these near surface layers. The comparison of the results obtained with those by two other methods showed that this new Pseudo-GIXRD method is reliable and easy to be used to determine the level and the distribution of RS.