Synthèse et caractérisation de revêtements nanostructurés à base de nitrures de titane et de zirconium obtenus par évaporation par arc électrique sous basse pression

Synthesis and characterization of titanium abd zirconium based nitride nanostructured coatings deposited by low pressure electric arc evaporation

• Auteur / Autrice : Vincent Chapusot
• Direction : Jean-Philippe Bauer, Alain Billard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science et ingénierie des matériaux
• Date : Soutenance en 2003
• Etablissement(s) : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL

Mots clés

Mots clés contrôlés

Zirconium

Titane

Énergie de surface

Matériaux hybrides

Arc électrique

Résumé

Ce travail porte sur la synthèse et la caractérisation de revêtements nanostructurés à base de nitrures de titane et de zirconium obtenus par un procédé non polluant de traitement de surface: l'évaporation par arc électrique sous basse pression. Cette technique et les phénomènes qui lui sont rattachés sont décrits dans un premier chapitre, dans lequel sont également rapportées des observations expérimentales. Après les descriptions du dispositif expérimental de laboratoire et de quelques techniques d'analyses, nous présentons une étude relative à l' élaboration et à la caractérisation de mononitrures de titane et de zirconium. Ce travail nous a permis d' optimiser le réacteur de dépôt par arc, technique récente au Laboratoire de Science et Génie des Surfaces, et de mettre au point des couches pouvant servir de référence pour la suite de cette étude. En effet nous présentons ensuite l' élaboration et la caractérisation de revêtements de nitrures de titane et de zirconium enrichis en bore puis de revêtements de nitrures de titane enrichis en cuivre. Dans la première catégorie de films minces nous obtenons des couches nanostructurées Zr(Ti)-N-B/BN dures (51-53 GPa), exhibant des composantes polaires d'énergies de surface relativement faible (6,5 mJ. M-2) et une excellente imperméabilité associée à une fm1e inertie chimique vis à vis de l'aluminium fondu. L'exploration de la deuxième famille de revêtements vise à apporter une contribution à l'explication de l'existence d'une augmentation substantielle de dureté des films minces composites céramiques-métal ''mou''.

The present study concerns the synthesis and the characterisation of zirconium and titanium nitride based nanostructured films deposited by a non-polluting surface treatment process: low pressure electric arc evaporation. In a first chapter, his technique and its related phenomena are described as well as sorne experimental observations. After a description of the experimental deviee and of sorne specifie analysis methods, we investigate the deposition conditions-properties relationship of binary titanium and zirconium nitrides. This preliminary work allowed the optimisation of the deposition conditions of this new process for the la bora tory as well as the definition of references for the following. Indeed, we present the deposition and the characterisation of titanium-zirconium nitrides coatings enriched in boron and then those of titanium ni tri de enriched in copper. The first category yields hard (51-53 Pa) Zr(Ti)-N-B/BN nanostructured coatings presenting low surface energy polar components (6,5 mJ. M-2 ) and excellent impermeability associated with a strong chemical inertia versus molten aluminium. Investigating the second category of coatings targeted to contribute to the understanding of the rather important hardness increase of composite ceramic-smooth metal.