Etude des mécanismes d'implantation et diffusion lors de la nitruration du titane et de Ti-6Al-4V par implantation ionique en immersion plasma

Study of implantation and diffusion mechanisms occurring during nitridation of titanium and of Ti-6Al-4V by plasma based ion implantation

• Auteur / Autrice : Valérie Fouquet
• Direction : Alain Straboni, Luc Pichon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Milieux denses matériaux et composés
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et aéronautique (Poitiers1992-2008)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nitrures des métaux de transition

Rayons X -- Diffraction

Traitements de surface

Spectroscopie de photoélectrons

Résumé

L'objectif de ce travail est d'étudier les mécanismes d'implantation et de diffusion lors de la nitruration du titane et de Ti-6Al-4V par implantation ionique en immersion plasma. Des études chimiques et microstructurales ont permis de préciser les caractéristiques des phases formées selon les conditions de traitements. A basse température, le processus d'implantation est le mécanisme principal de formation des nitrures tandis qu'à haute température, la part de la diffusion thermique devient prédominante. Une résolution numérique de la première loi de Fick a permit de conclure que, grâce aux défauts d'implantation, le coefficient de diffusion dans la couche de nitrure de surface est fortement augmenté. Constamment alimentée en azote par l'implantation, la couche de nitrure constitue une source pour la diffusion en profondeur alors que dans un traitement sans implantation, elle agit comme une barrière de diffusion.

The aim of this work is to study the implantation and diffusion mechanisms occuring during nitridation of titanium and of Ti-6Al-4V by plasma based ion implantation. Chemical and microstructural studies allow the determination of the characteristics of the phases formed depending on the treatment parameters. The implantation is the main formation mechanism of nitrides at low temperature whereas the nitridation is mainly controlled by the thermally activated diffusion at high temperature. By means of a numerical resolution of the equation of diffusion taking into account the experimental observations, implantation-induced defects have been shown to enhance the diffusion coefficient in the nitride layer. The in-depth nitridation of titanium is however favoured by the continuously implanted nitrogen in the nitride layer which acts as an in-depth source. On the contrary, in a thermal-activated treatment, the nitride forms a diffusion barrier which limits the later incorporation of nitrogen.