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

Cyril Faure

Description

Sous la direction de Jean-Pierre Manaud, Angeline Poulon
Thèse soutenue le 10 décembre 2010: Bordeaux 1
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.
-PVD réactive
-Revêtements multicouches
-Barrière de diffusion
-Couche de germination
-CVD micro-ondes
-Diamant nanocristallin (NCD)
-Interfaces
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.
-Reactive PVD
-Multilayer coatings
-Diffusion barrier
-Microwave CVD
-Nanocrystalline diamond (NCD)
-Interfaces
Source: http://www.theses.fr/2010BOR14156/document

Informations

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Extrait

N° d’ordre : 4156
THÈSE
PRÉSENTÉE À
L’UNIVERSITÉ BORDEAUX 1
ÉCOLE DOCTORALE DES SCIENCES CHIMIQUES
Par Cyril FAURE
POUR OBTENIR LE GRADE DE
DOCTEUR
SPÉCIALITÉ : Chimie des Matériaux
Le 10 décembre 2010
Nouveaux revêtements multicouches diamantés nanograins sur cermets
WC-Co. Étude des phénomènes microstructuraux intervenant aux
interfaces lors de l’élaboration.
Directeurs de thèse :
Angéline POULON QUINTIN, Jean-Pierre MANAUD

Rapporteurs :
Mme Élizabeth BAUER-GROSSE Professeur, CP2S, Ecole des Mines de Nancy
M Jocelyn ACHARD Professeur, LIMHP, Université Paris 13

Examinateurs :
M Claude DELMAS Directeur de recherche CNRS, Directeur de l’ICMCB, Bordeaux
M Jacques GAILLARD Directeur de l'entreprise A2C, Mérignac
M Yann LE PETITCORPS Professeur, Université Bordeaux 1
M Jean-Pierre MANAUD Ingénieur de recherche CNRS, ICMCB, Bordeaux
Mme Angéline POULON QUINTIN Maitre de conférences, Université Bordeaux 1
M François SILVA Ingénieur de recherche CNRS, LIMHP, Université Paris 13 Tableau des abréviations :

Dépôts physiques en phase vapeur PVD
Pulvérisation cathodique réactive PCR
Dépôts chimiques en phase vapeur CVD
MWCVD Réacteur CVD assisté par micro-ondes
Revêtement de diamant polycristallin PCD
Dépôt de diamant de taille micrométrique MCD
Dépôt de diamant de taille nanométrique NCD
Coefficient de dilatation thermique CDT
Diamond-like carbon, dépôt de carbone amorphe DLC
Spectroscopie d’émission optique OES
"Cavity ringdown spectroscopy", spectroscopie d’absorption laser au
CRDS
sein d’une cavité
Diffraction des rayons X DRX
"Energy dispersive X-ray spectroscopy" EDX
Microscopie à balayage MEB
Microscopie électronique en transmission à balayage STEM
"Bias enhanced nucleation" BEN
Dépôt de diamant NCD à morphologie pyramidale pyrNCD
Revêtement multicouche déposé par PVD et constitué de 9
TZT alternances entre des couches de TaN (ép. 50nm) et de ZrN (ép.
30nm) revêtu par une couche TaN "épaisse" (ép. 500nm)
Revêtement multicouche déposé par PVD et constitué de 9
alternances entre des couches de TaN (ép. 50nm) et de ZrN (ép.
TZZ
30nm) revêtu par un film de TaN (ép. 50nm) et d’une couche ZrN
"épaisse" (ép. 500nm)
Remerciements
Les travaux de recherches de ce manuscrit ont été réalisés à l'Institut de Chimie de la
Matière Condensée de Bordeaux (ICMCB-UPR 9048). Je remercie sincèrement Mr Claude
Henri DELMAS, directeur de l'ICMCB, de m'avoir permis de réaliser cette étude en
m'accueillant au sein de son institut et de m'avoir fait l'honneur de présider le jury de ma
thèse.
Je tiens à remercier Mme Élizabeth BAUER-GROSSE, professeur au sein du
département de Chimie et Physique des Solides et des Surfaces (CP2S) de l'Institut Jean
Lamour (IJL - UMR 7198) et Mr Jocelyn ACHARD, professeur à l'Université Paris 13 et
rattaché au Laboratoire d'Ingénierie des Matériaux et des Hautes Pressions (LIMHP - UPR
1311), d'avoir accepté de juger mes travaux en qualité de rapporteurs. Je remercie
sincèrement Mr Yann LE PETITCORPS, professeur de l'Université Bordeaux 1 rattaché au
LCTS, Mr Jacques GAILLARD, directeur de l'entreprise A2C et Mr François SILVA, ingénieur
de recherche au LIMHP, d'avoir accepté d'examiner cette étude.
Je remercie très chaleureusement Angéline POULON-QUINTIN, maitre de
conférences à l'Université de Bordeaux 1, et Jean-Pierre MANAUD, ingénieur de recherches
à l'ICMCB, de m'avoir sélectionné et de m'avoir encadré durant les trois années de cette
aventure. Je remercie particulièrement Sonia GOMEZ, Lionel TEULE-GAY, Abbas HODROJ
et Rodolphe DECOURT pour leur discussions scientifiques, leur aides, leur formations, ... et
de m'avoir supporter durant toute la période de cette thèse.
Ce travail n'aurait jamais pu s'accomplir sans l'aide de nombreuses autres personnes
et services, notamment la bibliothèque (S. TOULIN) le service RX (P. GRAVEREAU, E.
LEBREAUD et S. PECHEV) et le CECAMA (M. LAHAYE et C. LABRUGERE). Je remercie
particulièrement Mr Georges CHOLLON (LCTS) pour sa disponibilité et son aide en
spectroscopie Raman, ainsi que l'ensemble du personnel du CREMEM pour la disponibilité
de leur matériel. Je remercie également l'ensemble du personnel administratif et des
services communs (atelier, cryogénie, informatique et infrastructure) de l'ICMCB pour leur
disponibilité et leur efficacité.
Je souhaite remercier mes "voisins de bureau" : Amélie, Cécilse, Marion, Fabien,
Guigui, Greg, Dr Hauss (qui m'a entrainé au "ju-ju"), Hossein, Hansang, Erwan, Antho et
Marjo, Manu, Elias, Jean François, Max, Mathieu, Mehdi, Tom et Quentin ainsi que Delphine,
Phong, Yoyo, Aurélien, Alex et Jérem qui ont contribué à instaurer une excellente ambiance
de travail.
Je remercie enfin mes amis, ma famille et Liv pour leur attention et leur soutient
permanents et indéfectibles. Table des matières

Introduction générale ................................................................................... 4

Chapitre I : synthèse bibliographique..................................................6

Introduction......................................................................................................7
I.Sélection des matériaux................................................................................ 9
I.1.Classification des matériaux durs .................................................................................. 9
I.2.Propriétés mécaniques des matériaux durs .................................................................. 9
I.3.Propriétés et performances recherchées pour les matériaux de la zone interfaciale ....11
II.Performances des matériaux mis en jeu .................................................. 14
II.1.Le cermet WC-Co .......................................................................................................14
II.2.Les couches interfaciales ............................................................................................16
II.2.a.Les barrières de diffusion au cobalt ......................................................................16
II.2.b.Les revêtements bénéfiques à la germination du diamant ....................................18
II.2.c.Les contraintes résiduelles ...................................................................................20
II.3.Le diamant ..................................................................................................................22
II.3.a.Les propriétés du diamant ....................................................................................22
II.3.b.Le dépôt de DLC (Diamond-Like Carbon) .............................................................23
II.3.c.Le dépôt de diamant microcristallin (MCD) ...........................................................24
II.3.d.Le dépôt de diamant nanocristallin (NCD) ............................................................28
III.Mécanismes de croissance des dépôts de diamant .............................. 31
III.1 Les modes de croissance en CVD .............................................................................31
III.2 Les mécanismes de germination du diamant microcristallin (MCD) ............................32
III.3 Les mécanismes de germination du diamant nanocristallin (NCD) .............................35
Conclusion ..................................................................................................... 38

Chapitre II : conception, réalisation, et caractérisation des barrières
de diffusion............................................................................................39

Introduction .................................................................................................... 40
I.Critères thermochimiques .......................................................................... 42
I.1.Evaluation de la stabilité thermochimique à l’interface substrat–« barrière de diffusion
au cobalt » ........................................................................................................................42 I.2.Evaluation de la stabilité thermochimique du système bicouche ..................................43
I.2.a.Le cas du silicium ................................................................................