Etude expérimentale et numérique de l'adhérence d'un dépôt diamant CVD sur un substrat carbure de tungstène : application à l'usinage

Numerical and experimental study of the adhesion of a CVD diamond layer deposited on a tungsten carbide substrate : application to machining

• Auteur / Autrice : David Moulin
• Direction : Paul Lipinski
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 13/12/2007
• Etablissement(s) : Metz
• Ecole(s) doctorale(s) : EMMA - Ecole Doctorale Energie - Mécanique - Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LPMM - Laboratoire de Physique et Mécanique des Matériaux - FRE 3236
• Jury : Président / Présidente : Mohamed Nouary
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Cahuc, Pierre Chevrier, Tony Montesin, Joël Rech, Albert Tidu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Revêtement de surface

Contraintes résiduelles

Diamant

Usinage

Mots clés libres

Revêtement

Diamant

Contraintes internes

Usinage

Résumé

Les revêtements diamant CVD (Chemical Vapour Deposition), sont très prometteurs pour l’usinage des matériaux modernes dit difficile à usiner et quelques applications sont déjà opérationnelles, comme l'usinage du graphite. Les propriétés thermomécaniques du diamant l'imposent comme la solution pour l'usinage des matériaux non-ferreux. Toutefois, la maîtrise de la technologie des outils revêtus est difficile. En tant que système substrat-couche fine, l'outil devient un composite, apportant son lot de difficultés. Le chargement thermomécanique sur le revêtement est difficile à déterminer et les développements sur les revêtements nécessitent des données expérimentales qui sont longues et coûteuses à obtenir. En particulier, l'adhésion de la couche sur l'outil est un point crucial qu'il est difficile de quantifier aujourd'hui.Dans ce travail, nous montrons l'intérêt et le gain réalisé par l'emploi d'un tel revêtement en comparaison avec d'autres revêtements. Puis, l'état de contrainte du système carbure-diamant est étudié en détail au moyen de modélisations ainsi qu'à travers des mesures expérimentales. L'influence des différentes configurations de la géométrie et du procédé de dépôt de la couche sur les contraintes résiduelles thermiques est étudiée. Ces fortes contraintes résiduelles ont un impact direct sur l'adhésion, impact discuté et mesuré expérimentalement dans la seconde partie de notre travail. Afin d'étudier ces phénomènes, un montage a été conçu et réalisé. Les résultats obtenus sont détaillés et discutés. Le taux de restitution d'énergie critique de l'interface sera calculé et proposé en tant que critère d’adhésion dans la fin de ce travail

Coatings, and particularly Chemical Vapor Deposited (CVD) diamond coatings, are promising regarding hard to machine materials and some applications are already ready industrially. The excellent thermo-mechanical properties of diamond impose this solution to the machining of non-ferrous materials. However, the coated tools are difficult to understand. As a substrate-coating system, the tool is itself a composite material, bringing some difficulties. Edge preparation technologies are various: it is difficult to identify the optimal process. It has also to be noticed that the tool-piece interaction in machining operations is not completely understood yet, and that an intense research work is done to understand these phenomena. The thermo-mechanical loading on the coating is difficult to determine, and the developments on the coatings needs experimental data which are cost and time consuming.In this work, we will show the interest and improvement brought by such a coating in comparison to other coatings used in machining. Then, the stress state of the system carbide – coating is study by the mean of numerical and analytical models, as well as by the mean of experimental measurements.The influences of the different configurations of the geometry and of the deposition process on the residual stresses into the layer are studied. These high stresses have a direct impact on the adhesion of the layer, which will be discussed and measured experimentally into the second part of our work. To study the adhesion phenomena deeply, an experimental device has been designed. The obtained results are detailed and discussed. With these data, the Energy release rate of the interface is calculated and proposed as an adhesion criterion at the end of this work