Nouveaux revêtements multicouches diamantés nanograins sur cermets WC-Co : etude des phénomènes microstructuraux intervenant aux interfaces lors de l'élaboration

New nanocrystalline diamond multilayer coatings on WC-Co substrate : a study of interfacial microstructural phenomena during the CVD process

• Auteur / Autrice : Cyril Faure
• Direction : Jean-Pierre Manaud, Angéline Poulon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-Chimie de la Matière Condensée
• Date : Soutenance le 10/12/2010
• Etablissement(s) : Bordeaux 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (Pessac)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Pierre Manaud, Angéline Poulon, Jocelyn Achard, Elizabeth Bauer-Grosse, Claude Delmas, Jacques Gaillard, Yann Le Petitcorps, François Silva
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jocelyn Achard, Elizabeth Bauer-Grosse

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux nanostructurés

Diamant -- Couches minces

Composites

Chimie des surfaces

Revêtement de surface

Dépôt chimique en phase vapeur

Mots clés libres

PVD réactive

Revêtements multicouches

Barrière de diffusion

Couche de germination

CVD micro-ondes

Diamant nanocristallin (NCD)

Interfaces

Reactive PVD

Multilayer coatings

Diffusion barrier

Microwave CVD

Nanocrystalline diamond (NCD)

Interfaces

Résumé

Du fait de leurs excellentes propriétés mécaniques et de leurs faibles masses spécifiques, l’utilisation des matériaux composites, au sein des structures mécaniques, est en plein essor. Cependant, leur usinage entraine une usure prématurée et aléatoire des outils de coupes en cermet WC-Co. L’origine de cette étude provient de la nécessité de protéger leur surface par un revêtement dur et résistant comme, par exemple, le diamant NCD. Toutefois, le cobalt présent dans le carbure cémenté favorise la formation de graphite au niveau de l’interface avec le film de diamant, ce qui nuit à son adhérence. La méthode retenue afin d’isoler ce métal de la surface a été de réaliser des systèmes interfaciaux multicouches. Ces derniers sont composés d’une barrière de diffusion au cobalt en nitrure de tantale et/ou en nitrure de zirconium et d’une couche favorisant la germination du diamant en acier inoxydable ou en molybdène. Les protocoles de dépôt élaborés au cours de ce travail ont la particularité d’utiliser une polarisation négative et séquencée du substrat durant l’étape de croissance. Cela induit une morphologie originale au revêtement de diamant breveté sous le nom de PyrNCD (Brevet N° :FR0807181). Les objectifs de cette étude sont la compréhension de l’ensemble des mécanismes (influence de la solubilité du carbone sur la germination du diamant, l’effet de la polarisation sur le substrat revêtu et sur la croissance du diamant,…) intervenant durant le dépôt de diamant et l’optimisation du procédé.

The combination of good mechanical properties and low specific mass ensures the increasing use of composite materials to reduce the weight of mechanical structures. However, their machining induces premature and random wear of WC-Co cermet cutting-tools. The origin of this study comes from the necessity to protect cutting-tools surfaces by hard and resistant coatings like NCD diamond. Unfortunately, the cobalt found in these cemented carbides catalyses graphite formation at the interface with the diamond layer and harms the grip of the diamond film. The method used to isolate this metal from the surface has been to form interfacial multilayer systems. These are composed of a tantalum nitride and/or zirconium nitride diffusion barrier for cobalt and a layer promoting the diamond nucleation in molybdenum or stainless steel. The deposit protocols developed during this PhD work have the particularity of using a negative and sequenced substrate bias during the growth stage. This leads to an original morphology of the diamond coating which is patented under the name PyrNCD (International Patent N°: WO/2010/076423). The goal of this study is to understand all the mechanisms (like the impact of the carbon solubility on the diamond nucleation, the effects of negative bias on the coated substrate and the diamond growth,...) occurring during diamond deposition and process optimization.