Les contraintes résiduelles : Etude dans les films minces et application industrielle

Abstract

Les films déposés par la pulvérisation sont largement étudiés. Une caractéristique particulière de ces couches est le développement des contraintes résiduelles élevées de compression pendant le procédé de dépôt. En raison de la présence des grandes contraintes résiduelles de compression, les films se décollent des substrats, et présentent des modèles topographiques intéressants. Concernant les films d’acier inoxydable 304 L(SS) déposés par pulvérisation, leurs structures, propriétés mécaniques et comportement d’adhérence, ont été déjà étudiés en utilisant le diffraction des rayons de X, le microscope électronique à balayage (MEB) et la méthode sin²ψ de diffraction des rayons X. Nous étudions le phénomène de boucle observé dans les films 304 L (SS). L’étude est réalisée en utilisant le MEB et les techniques du microscope à force atomique AFM et l’effet de l’assistance par faisceau d’ions (IBAD), sur les propriétés mécaniques et structurales de 304 L (SS) préparés en utilisant la technique de pulvérisation par faisceau d’ions. Ceci permet de modifier l’état de contrainte dans le film, souvent responsable du phénomène de décollement. Nous avons ensuite étudiés les revêtement d’alliage de Fe-W, déposés par Co-pulvérisation à magnétron à courant continu. Les premiers résultats de la spectroscopie par rétrodiffusion de Rutherford (RBS) ont démontré la variation détaillée de la composition chimique du film qui oscille entre Fe₀.₃ W₀.₇ et Fe₀.₃₅ W₀.₆₅. Le film déposé est un système multicouche où chaque épaisseur de couche est de l’ordre des dizaines de nanomètre. Nous étudions l’influence de deux paramètres de dépôt sur cette modulation détaillée de composition : la vitesse de rotation du substrat et temps de dépôt. Pour caractériser les revêtements, des analyses complémentaires ont été employés en plus de la RBS, le microscope électronique à balayage (MEB) et la diffraction des rayons X (XRD) qui met en évidence un état faible de contrainte pour ces revêtements. Les oscillations de composition (épaisseur des couches élémentaires) dépendent de la vitesse de rotation du substrat et disparaissent après 5 minutes. De plus, les films d’alliages (avec ou sans des oscillations de composition) ont la même morphologie et structure cristalline que le tungstène pur. Le fer est trouvé en substitution dans la structure atomique de tungstène et également dans la phase amorphe. Par une application à l’échelle industrielle sur des aciers faiblement alliés, nous avons étudié l’influence des contraintes résiduelles de tension sur le comportement des pièces en fonctionnement. Nous avons mis en évidence le rôle néfaste de ces contraintes, et nous avons apporté une solution pour remédier à la problématique posée par ces contraintes. Nous avons également obtenu une amélioration de comportement de ces pièces en fonctionnement.