Compréhension de la constitution des interfaces d’un système substrat/revêtement déposé par PVD-HiPIMS

Understanding the interface constitution of a substrate/coating system deposited by cathodic magnetron sputtering HiPIMS

• Auteur / Autrice : Angélique Chabanon
• Direction : Fanny Balbaud, Dong Zhili
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique et chimie analytique
• Date : Soutenance le 28/01/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université en cotutelle avec Nanyang Technological University (Singapour)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d’Ingéniérie des Surfaces et Lasers (Saclay)
• Jury : Président / Présidente : Vincent Vivier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cédric Boissière, Zhong Chen, Erjia Liu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nadine Pébère, Frédéric Sanchette

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitements de surface

Dépôt en phase vapeur

Pulvérisation cathodique -- Applications industrielles

Couches minces

Corrosion

Mots clés libres

Acier inoxydable

Revêtement PVD

HiPIMS

Décapage

Interface

Corrosion

HiPIMS

Interface

Corrosion resistance

Résumé

Dans le cadre des recherches menées sur l’amélioration de la durabilité des composants en milieux corrosifs, le développement de traitements de surface respectueux de l'environnement, industriellement et économiquement viables est effectué. Dans ce but, des systèmes substrat/revêtement développés par procédé HiPIMS sont étudiés. L’objectif est de comprendre et de caractériser en détail le rôle des différentes interfaces rencontrées dans ces systèmes afin d'optimiser leur résistance à la corrosion dans l'acide nitrique et l'eau de mer. Dans un premier temps, le pré-traitement du substrat par décapage ionique HiPIMS et son influence sur un système substrat/sous-couche métallique sont étudiés. Différents décapages ioniques (Ar+, Ti+ et Zr+) sont effectués et mènent à une modification de la surface du substrat par implantation des éléments pulvérisés sur les premiers nanomètres. Cela entraîne la modification de la composition chimique de la couche passive et améliore la résistance à la corrosion des substrats décapés aux ions métalliques dans les deux milieux d’étude. Suite à l’ajout d’une sous-couche métallique d’environ 200 nm (Ti/Zr), cet effet bénéfique du décapage aux ions métalliques est toujours observé, ce qui suggère que ces espèces métalliques peuvent agir comme sites de nucléation préférentiels pour la croissance de la couche métallique et promouvoir un film probablement plus dense. Dans un second temps, un système substrat/couche de liaison métallique/revêtement oxyde (TiO2/ZrO2) non-optimisé d’environ 5 µm est étudié. Les résultats indiquent que les systèmes à base de Zr sont prometteurs pour la protection contre la corrosion dans nos deux milieux d’étude.

Sustainability issues are essential for component performance in many corrosive environments. For this purpose, the development of environmentally friendly, industrially and economically viable surface treatments is performed. In this work, substrate/coating systems developed by HiPIMS process are studied. The objective is to understand and characterize in detail the role of the different interfaces encountered in these systems in order to optimize their resistance to corrosion in nitric acid and seawater. Firstly, the pre-treatment of the substrate by HiPIMS ion etching and its influence on a substrate/metallic bond coat system are studied. Three types of ion etching (Ar+, Ti+ and Zr+) are performed and lead to a modification of the substrate surface by implantation of the sputtered elements on the first nanometers. This leads to the modification of the chemical composition of the passive layer and improves the corrosion resistance of the metal ion-etched substrates in both studied environments. Then, a 200 nm-thick metallic bond coat (Ti/Zr) is deposited on the etched substrates to study the substrate/metallic bond coat interface. The beneficial effect of metal ion etching is still observed after deposition of the bond coat, suggesting that the metal species can act as a preferential nucleation site for metallic layer growth and probably promote a denser film. Secondly, a 5 µm-thick non-optimized substrate/metallic bond coat/oxide coating (TiO2/ZrO2) system is studied. The results indicate that Zr-based systems are promising for corrosion protection in our two study media.