Élaboration et évaluation par tribocorrosion de couches minces de nitride de tungstène

Synthesis and tribocorrosion study of tungsten nitride thin films

• Auteur / Autrice : Tania Berenice Garcia Ramos
• Direction : Andréas Zeinert, Stephen Muhl
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Physique de la matière condensée
• Date : Soutenance le 14/09/2021
• Etablissement(s) : Amiens
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, technologie et santé (Amiens)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique de la matière condensée (Amiens ; 1993-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Lahoche
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claire Meyer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Maxence Bigerelle, Ivan Campos

Mots clés

Mots clés contrôlés

Couches minces

Pulvérisation cathodique

Mots clés libres

Tribocorrosion

Couches minces

Sputtering

Thin films

Résumé

Le travail présenté ici a pour objet la synthèse de couches minces de nitrure de tungstène ainsi que l'étude de leurs propriétés par rapport à la tribocorrosion. La méthodologie utilisée comprend : (1) l'adaptation et l'optimisation du système de synthèse de couche minces (pulvérisation cathodique RF) et du système de mesure de la tribocorrosion, (2) la caractérisation électrochimique et tribologique des substrats (acier AISI 431 et acier AISI D2), (3) et la réalisation, l'optimisation et la caractérisation de couches minces de nitrure de tungstène et de leurs propriétés tribo-électrochimiques (tribocorrosion).Le revêtement obtenu a amélioré la résistance à l'usure et à la corrosion des deux substrats. Néanmoins, seul pour le cas de l'AISI 431, la vitesse de corrosion s'est révélée suffisamment faible, le système est donc considéré comme passif et relativement plus résistant à la tribocorrosion. La meilleure réponse a été trouvée pour les revêtements obtenus à une puissance de dépôt élevée et à de faibles pressions de dépôt, suggérant qu'une densité plus élevée de la couche mince améliore ses réponses tribologiques et électrochimiques. Enfin la synergie entre l'usure mécanique et la corrosion de la couche mince de nitrure de tungstène a été évaluée. Avec un rapport Kc d'environ 5,1x10-1, l'accélération de la corrosion induite par l'usure mécanique est négligeable, et le rapport Km de 6,14x10-3 suggère que l’usure mécanique est accélérée par la formation du film passif. Les résultats obtenus présentent une première approche à l'exploration de l'utilisation du nitrite de tungstène comme couche mince résistant à la tribocorrosion. Ceci ouvre la porte à une étude plus approfondie et plus complète de ce type de couches minces comme couches protectrices contre la tribocorrosion en contact avec différents électrolytes

The present work is focused on the synthesis and tribocorrosion study of tungsten nitride as a tribocorrosion resistant thin film. The methodology used comprised: (1) the adaptation and optimization of the synthesis system (radio frequency magnetron sputtering) and the tribocorrosion evaluation system, (2) the electrochemical and tribological evaluation of the substrates (AISI 431 steel and AISI D2 steel) and (3) the synthesis, optimization and tribo-electrochemical (tribocorrosion) evaluation of the tungsten nitride coating.The obtained thin film improves the wear and corrosion resistance of both, AISI 431 steel and AISI D2 steel. Nevertheless, only for AISI 431 the corrosion speed is low enough to be considered as a passive system and a suitable tribocorrosion resistant system. The best response was found for the thin films obtained at high deposition power and low deposition pressures, suggesting that a higher coating density enhance the tribological and electrochemical responses. Moreover, the tribocorrosion synergism between wear and corrosion of the tungsten nitride thin film was evaluated finding a Kc ratio of about 5.1x10-1, indicating that the corrosion acceleration induced by the mechanical wear is negligible, and a Km ratio of 6.14x10-3, revealing that the mechanical material removal is accelerated by the formation of the passive film. The obtained results represent an initial approach to the exploration of the tungsten nitrite thin film as a protective film against tribocorrosion. Such results open the path towards more extensive and comprehensive studies of such type of thin films as protection against tribocorrosion when in contact with different electrolytes