Study of a hipims discharge to optimize the adherence and to grow transition nitrides thin films
Etude d'une décharge hipims pour l'optimisation de l'adhérence et la croissance de nitrures de metaux de transition
Résumé
Recent technical needs has brought industrials to use materials such as superalloys, composites or "sandwiches" which require adapted tools during machining. However, no universal solution is yet available. The traditional tools wear out extremely quickly, and their cost remains prohibitive. To solve this problem, several directions can be foreseen. One can note the possibility to coat the tool to freeze as long as possible the geometry while providing it with new properties. However, to ensure high efficiency of the deposited thin film submitted to high stress level during cutting operations, it is essential that the layer has an excellent degree of adhesion with the substrate. Conditioned by the ion etching, adhesion can be increased through the use of processes promoting the creation of highly ionized plasmas and high energy as the High Power Impulse Magnetron Sputtering (HIPIMS). This technique can control the ion bombardment by applying a bias voltage at samples in order to significantly increase the efficiency of stripping. Ions, pre-oriented by the field lines of the magnetron, are thus attracted to the substrate, and per ballistic effect, will remove the surface atoms. The films prepared on samples treated and have excellent grip with good uniformity of thickness. The thesis work has therefore focused on the study of this new deposition process to understand and control this type of discharge to synthesize dense films of TiN, AlN and (Al,Ti)N, but also and especially to improve their adhesion. In a first step, and from bibliographic data, the advantages and disadvantages of HIPIMS discharge associated with the production of energetic metal ions are listed. In a second step, the electrical HIPIMS discharges are put forward for different magnetic configurations, working pressures, discharge voltages and polarisations of substrates to better understand how this new technique works, but also to find conditions for a sufficient ion etching to improve the adhesion of the films. Finally, to conduct further the study, the synthesis of coatings (Al, Ti) N is made toprovide additional information on the influence of the HIPIMS discharge on their chemical, structural and mechanical properties.
Les récents besoins de l'industrie, aux exigences de plus en plus sévères, contraint cette dernière à mettre en jeu des matériaux sophistiqués et complexes tels que superalliages, composites ou sandwiches. Ceux-ci nécessitent alors des outils adaptés lorsqu'il s'agit de les mettre en forme. Or actuellement, la solution dite "miracle " reste encore indéterminée. Les outils traditionnels employés s'usent extrêmement vite, et leur coût de revient est exorbitant. Afin de répondre à cette problématique, plusieurs orientations peuvent être envisageables. On note parmi-elles la possibilité de revêtir les outils de films minces afin de figer le plus longtemps possible la géométrie tout lui apportant de nouvelles propriétés. Cependant, afin de garantir une grande efficacité du dépôt malgré le niveau de contraintes élevé exercé pendant les opérations de coupe, il est primordial que le revêtement possède un excellent degré d'adhérence avec le substrat qu'est l'outil coupant. Conditionnée par le décapage ionique, l'adhérence peut être accrue en ayant recours à des procédés favorisant la création des plasmas hautement ionisés et très énergétiques comme l'HIgh Power Impulse Magnetron Sputtering (HIPIMS). Ce procédé permet de contrôler le bombardement ionique par application d'une tension de polarisation négative au niveau des échantillons dans le but d'accroître considérablement l'efficacité du décapage. Les ions, préorientés par les lignes de champs du magnétron, seront donc ainsi attirés vers les substrats et, par effet balistique, vont re-pulvériser les atomes en surface. Les films élaborés sur des échantillons ainsi traités possèdent une excellente accroche avec une bonne homogénéité de l'épaisseur. Le travail de thèse s'est donc orienté sur l'étude de ce nouveau procédé de dépôt afin de comprendre et maîtriser ce type de décharge pour synthétiser des films denses de TiN, AlN et (Al,Ti)N mais aussi et surtout d'améliorer leur adhérence. Dans un premier temps, et à partir des données bibliographiques les plus récentes, les avantages et inconvénients de la décharge HIPIMS qui sont associés à la production d'ions métalliques énergétiques sont renseignés. Dans un second temps, les caractéristiques électriques de la décharge HIPIMS sont mises en avant pour différentes configurations magnétiques, pressions de travail, tensions de décharge et polarisations des substrats afin de mieux comprendre le fonctionnement de cette nouvelle technique, mais également de trouver des conditions permettant un décapage ionique " in situ " efficace. Enfin, pour mener plus loin l'étude, une application aux cas de la synthèse de revêtements (Al,Ti)N est effectuée pour apporter des informations complémentaires sur l'influence d'une décharge HIPIMS sur leurs propriétés chimiques, structurales et mécaniques.
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