Stabilité mécanique et modes d'endommagement de revêtements multicouches à base de tungstène et de tungstène-carbone élaborés par PVD

Mechanical stability and failure modes of tungsten and tungsten-carbon based multilayered pvd coatings

• Auteur / Autrice : Emmanuelle Harry
• Direction : Michel Ignat, Yves Pauleau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et Génie des matériaux
• Date : Soutenance en 1998
• Etablissement(s) : Grenoble INPG

Mots clés

Mots clés libres

Sciences appliquees

Metaux, metallurgie

Revetement metallique

Revetement non metallique

Pulverisation cathodique

Magnetron

Propriete mecanique

Flexion

Essai rayage

Multicouche

Adherence

Fissuration

Traction

Traitement surface

Tungstene

Sec

Tungstene carbure

Sec

Tenacite

Cd

Metal coating

Non metal coating

Cathodic sputtering

Magnetron

Mechanical properties

Bending

Scratching test

Multiple layer

Adhesion

Cracking

Traction

Surface treatment

Tungsten

Sec

Nc

Tungsten carbide

Sec

Fracture toughness

Cd

Résumé

Les revetements a base de tungstene et de tungstene-carbone sont utilises pour leurs proprietes de resistance a l'usure contre le frottement ou contre l'erosion par des particules solides. Ces revetements peuvent etre le siege de contraintes residuelles elevees. Seules ou associees a une sollicitation exterieure, elles peuvent etre a l'origine de nombreux mecanismes d'endommagement, alterant la fiabilite des revetements. L'objectif de notre travail est d'analyser la stabilite mecanique et les modes de rupture de ces revetements, en relation avec leurs proprietes microstructurales et mecaniques, afin d'optimiser leur architecture pour une application donnee. Les revetements ont ete elabores par pulverisation cathodique magnetron : monocouche w et w(c) (contenant 14 at. %c), revetement multicouches et revetement a gradient de concentration en carbone. La morphologie des couches evolue d'une structure colonnaire a une structure compacte par ajout de carbone dans le tungstene. La durete des depend majoritairement de la taille des grains. Les contraintes residuelles sont equivalentes quelques soit l'architecture du revetement. Les modules d'young ont ete determines par des essais de flexion trois points, et sont voisins du module du tungstene massif. Des essais micromecaniques (flexion trois points avec suivi acoustique, traction in situ dans un microscope electronique a balayage) ont permis de determiner leur contrainte critique de fissuration, leur densite de fissures transversales a saturation, dont sont deduites l'energie de fissuration en volume et la tenacite. Ces parametres, qui sont intrinseques au revetement, decrivent la stabilite mecanique du systeme revetement/substrat. Nous avons utilise un modele base sur la redistribution des contraintes dans un revetement fissure pour analyser son adherence au substrat. Par ailleurs, des essais de rayure (avec suivi acoustique, et analyse par microscopie optique et microscopie electronique a balayage) ont permis de degager les differents mecanismes d'endommagement des revetements (en volume, aux interfaces et en surface) en fonction de la charge appliquee et de caracteriser egalement leur adherence. L'ensemble des resultats montre l'influence determinante de l'architecture des revetements (epaisseur, morphologie, composition, sequence d'empilement des couches) et de la presence de defauts microstructuraux au sein des depots sur leur comportement mecanique. Ces facteurs de structure peuvent, suivant leur amplitude, modifier considerablement la tenue mecanique des revetements.