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Introduction générale

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Les nouvelles tendances en génie mécanique conduisent à des exigences de plus en plus strictes concernant les composants mécaniques. La réduction du frottement pour augmenter le rendement des moteurs, l’amélioration de la fiabilité des roulements et des engrenages, et la réduction de l’utilisation des lubrifiants, constituent une préoccupation majeure dans la conception des machines.

En fait, ces tendances pourraient provoquer des contraintes tribologiques plus élevées sur les pièces mécaniques en raison des charges plus élevées, des tolérances plus étroites, qui peuvent conduire à une usure adhésive des surfaces. Une façon de faire face à ces problèmes, est d’améliorer les propriétés de surface par le revêtement des composants à l’aide d’une couche mince, dure, de faible coefficient de frottement, et résistante à l’usure. Divers procédés, tels que les dépôts physiques en phase vapeur (PVD) et chimique en phase vapeur (CVD), permettent de produire ces revêtements sous forme de monocouches ou multicouches.

Lors des dernières décennies, les revêtements durs en couches minces élaborées par le dépôt chimique en phase vapeur CVD (Chemical Vapor Deposition) puis un peu plus tard par la méthode physique en phase vapeur PVD (Physical Vapor Deposition) n’ont cessé d’être introduits dans de nombreuses applications : mécanique, microélectronique, biomédicale, etc.

Dans le début des années 1970, les premiers revêtements CVD étaient appliqués aux outils de coupe. Mais comme l’élaboration de ces revêtements nécessite l’utilisation de hautes températures, il s’est avéré que les techniques de dépôt physique en phase vapeur (PVD) leur sont préférables, surtout pour le revêtement des aciers avec des matériaux durs et réfractaires. Employant de faibles températures entre 200 °C et 400 °C lors du dépôt, ils permettent d’éviter le changement structural des composants revêtus.

Le premier revêtement PVD a été introduit au milieu des années quatre-vingt. Depuis, des progrès ont été amenés aux méthodes de dépôts PVD qui ont permis l’obtention de nouveaux matériaux avec des propriétés propres jusque-là jamais atteintes par les méthodes CVD conventionnelles.

Ces dernières années, les carbures et les nitrures des métaux de transition sont les plus utilisés grâce à leur résistance exceptionnelle à la chaleur et leurs propriétés remarquables : stabilité thermique et chimique, dureté et résistance à l’usure.

Nos travaux s’intéressent aux couches minces à base de carbure de tungstène (WC) déposées par voie physique en phase vapeur (PVD), notamment par le procédé de pulvérisation cathodique à magnétron, qui présente des propriétés physico-chimiques avantageuses pour assurer la performance envisagée, dans le but d’évaluer le potentiel offert par ce type de revêtements par rapport aux revêtements les plus courants qui sont à base de Titane ou de Chrome. Cette étude comporte cinq chapitres distincts :

– Dans un premier chapitre, nous effectuerons une brève revue bibliographique sur les principales techniques d’élaboration des revêtements PVD et les phénomènes liés à la formation de l’interface et à la croissance des couches minces. Nous présenterons ensuite les différentes morphologies rencontrées dans les dépôts physiques en phase vapeur.

– Le second chapitre s’attachera à la nature et les caractéristiques du revêtement étudié et aux relations de dépendance qui existent entre les conditions de dépôt et le comportement des surfaces obtenues. Cette relation s’exprime en termes de caractéristiques structurales, morphologiques ainsi que mécaniques, et adhérence.

– Dans le chapitre, nous détaillerons les méthodes de caractérisation microstructurale des couches minces, puis nous analyserons la morphologie de la couche étudiée, qui facilitera la compréhension de son comportement lors des essais de nanoindentation et de scratch test.

– Le troisième chapitre présentera une étude approfondie de l’essai de nanoindentation dédié à la mesure des propriétés mécaniques des couches minces. Nous détaillerons la procédure expérimentale de cet essai et les modèles d’analyse y liés, en particulier le modèle d’Oliver et Pharr. Puis nous l’appliquerons pour la caractérisation mécanique du revêtement étudié, à l’aide de deux différents appareils. Ces travaux aboutiront à des résultats importants concernant l’influence des dispositifs de mesure utilisés pour la caractérisation mécanique des couches minces. L’étude est complétée par une caractérisation morphologique par microscopie à force atomique et tribologique pour obtenir des informations complémentaires sur la couche étudiée.

– Le dernier chapitre concernera l’essai de microrayure reconnu par l’appellation «scratch test» qui a été employé pour caractériser l’adhérence de la couche WC étudiée. Nous présenterons la procédure expérimentale ainsi que les résultats obtenus avec différents dispositifs d’essai. Nous conduirons ensuite une étude sur l’influence de la géométrie de la pointe sur les forces critiques d’endommagement.

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