Nanocomposites TITN-NI PVD coating : synthesis, structural and mechanical properties

• Auteur / Autrice : Alireza Akbari
• Direction : Jean-Paul Rivière, Claude Templier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Milieux denses, matériaux et composants
• Date : Soutenance en 2006
• 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

Titane

Nanoparticules

Résumé

Des revêtements nanocomposites TiN-Ni ont été élaborés par pulvérisation ionique réactive (PIR) et par pulvérisation magnétron réactive (PMR). Les propriétés structurales et les contraintes résiduelles ont été étudiées principalement en utilisant la diffraction des rayons X. Les propriétés mécaniques - dureté, ténacité, adhérence au substrat et résistance à l’usure - ont éte�� évaluées par nanoindentation, test de rayure, indentation à forte charge, tribomètre pion-disque et profilométrie 3D. Les revêtements élaborés par la technique PIR se composent de nanograins (<10 nm) de TiN entourés par une phase métallique amorphe constituée du nickel. Les couches PMR sont formées de nanograins d’une solution solide métastable de TiN(Ni) entourés par une phase amorphe de Ti2Ni. La plupart des propriétés sont contrôlées par la l’addition du nickel. Quelle que soit la technique d’élaboration, une texture est observée, qui évolue vers la texture (200) quand la concentration en Ni augmente. Pour des températures de substrat élevées (200-400°C), les contraintes résiduelles diminuent pour les dépôts PIR tandis qu’elles augmentent pour les dépôts PMR. Les deux types de dépôts ont une dureté améliorée. Pour les dépôts PIR, une super dureté (~45 GPa) est observée, qui correspond a une taille de grain TiN proche de 8 nm et une couverture par le Ni de 1 monocouche. L’addition de nickel améliore la ténacité des revêtements. Comparé à TiN, la résistance à l’usure est augmentée d’un facteur 20 pour les dépôts présentant une ténacité améliorée. Au contraire, les dépôts présentant une plus grande dureté ont une résistance à l’usure identique et même plus faible que TiN.

Nanocomposite TiN-Ni coatings were deposited using reactive dual ion beam sputtering (RDIBS) and reactive unbalanced magnetron sputtering (RUBMS). Structural properties and residual stresses have been investigated mainly using X-ray diffraction. Mechanical properties including hardness, toughness adhesion and wear resistance were evaluated using nanoindentation, scratch test, high load indentation and ball on disc tests coupled with 3D profilometry. In RDIBS coatings, the only crystalline phase is TiN with grain size smaller than 10 nm embedded in a 2 monolayers thick Ni tissue at 22 at. % Ni. In RUBMS coatings, Ni containing TiN metastable phase is embedded in a Ti2Ni amorphous layer. Most of structural and mechanical properties are governed by the Ni content. Whatever the deposition technique, a texture is observed which evolves towards the (200) texture with increasing the Ni content. At high substrate temperatures (200-400°C), the residual stress decreases for RDIBS coatings when adding Ni while it increases for the RUBMS coatings. This later increase is related to Ni incorporation in the TiN lattice. Both coatings exhibit a hardness enhancement. For the RDIBS coatings, superhardness (~45 GPa) is observed, which corresponds to TiN crystallite size of ~8 nm and Ni coverage of about one monolayer. The addition of Ni improves coating toughness. Compare to the TiN films, an enhancement in wear resistance up to 20 times was observed for the coatings with improved toughness. On the contrary, the superhard coatings exhibited identical or even worse wear resistance than TiN.