Multifunctional properties of nanostructured ZrO2-based coatings for tribological applications
Institution:
Université Louis Pasteur (Strasbourg) (1971-2008)Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
The loadings applied to engine components are increasing with the demand for more efficient, safer, and environmental friendlier cars. On the opposite to coatings for cutting applications, the future coatings should also protect the counterpart and reduce the friction between the bodies. In the past decade a new type of wear protective films -called nanocomposite coatings- showed promising results in terms of hardness and fracture toughness. Most of the investigations were performed with nitride or carbide-based materials. Oxides were less studied because of their brittleness, but these materials would offer the corrosion and temperature stability required in the future engines. In this work, we proposed an investigation of a nanocomposite coating based on oxides for tribological applications in various environments. We choose ZrO2 as oxide for high temperature applications and copper as surrounding. The properties of this coating were extended with the addition of carbon as solid lubricant material. First, we optimized the pulsed magnetron sputtering for the deposition of nanoparticles. This experience was applied to the deposition of ZrO2/Cu nanocomposite coatings. The Zr-Cu-O-C coatings were optimized for tribological applications under various environments. The film structure was correlated with the mechanical properties. The tribological behavior of this coating was investigated in various environments and wear conditions. The enhanced ion bombardment during the reactive sputtering was obtained by pulsing the cathodes, providing a high sputtering power to the targets, and applying a negative bias to substrate. Using these conditions, 10 nm-particles were captured. This experiment was verified in the ZrO2/Cu coatings with t-ZrO2 particles smaller than 20 nm. The insertion of 35 atomic percent carbon in the nanocomposite structure increased the hardness to 30 GPa and reduced the COF to 0. 15. The hardness of this coating was stable in annealing tests up to 500°C. The structure investigations showed the presence of ZrO2 and ZrC particles inserted in a matrix of copper and a-C:H. This coating presented a low COF independent of the humidity in sliding tests without lubricants. The impact resistance was assured at high loads for medium durations and at low loads for long durations.
Abstract FR:
Les contraintes appliquées aux composants moteurs ont fortement augmentées ces dernières années. Les pièces en contact tribologique doivent résister à de fortes charges, fonctionner avec des carburants à faible lubricité et résister à des chocs thermiques. Dans la dernière décennie, un nouveau type de films minces appelé nanocomposite a été développé. La plupart des investigations ont été réalisées avec des matériaux à base de nitrures ou de carbures. Les oxydes furent moins étudiés en raison de leur fragilité, bien que ces matériaux offrent une résistance à la corrosion et un stabilité thermique. Cette thèse propose une investigation de films nanocomposites à base d'oxydes pour applications tribologiques. Nous avons choisi ZrO2 comme oxyde pour des applications à haute température et le cuivre comme liant pour la ductilité mécanique. Le champ d'application de ce film a été élargi avec l'addition de carbone comme lubrifiant solide. Premièrement, l'énergie des ions et le courant d'ions furent corrélés avec les observations de particules capturées sur des grilles durant le procédé. Cette expérience fut appliquée à la déposition de films ZrO2/Cu. La structure du film fut corrélée aux propriétés mécaniques. Le comportement tribologique de ce film fut investigué dans différents environnements. La résistance à la friction fut testée à l'air (sec et humide) et avec des lubrifiants. Le bombardement ionique durant la pulvérisation réactive fut optimisé en pulsant les cathodes et en appliquant une tension négative au substrat. Dans ces conditions, des particules de 10 nm de diamètre furent capturées. Cette expérience fut vérifiée dans les revêtements ZrO2/Cu avec des particules d'une taille inférieure à 20 nm. La dureté de ZrO2/Cu resta constante jusqu'à 500°C. L'insertion de 35 atomique pourcent de carbone permis d'augmenter la dureté à 30 GPa. Le COF fut réduit à 0. 15. La dureté de ce film fut également stable jusqu'à 500°C. Le film doté de carbone est composé de particules ZrO2 et ZrC insérées dans une matrice de Cu et de carbone amorphe a-C:H. Ce revêtement présente un faible COF (0. 2) en contact tribologique indépendant de l'humidité. La résistance à l'impact de ce film fut assurée jusqu'à de fortes charges pour des durées moyennes et à des faibles charges pour des longues durées.