thesis

Structure et propriétés mécaniques de films minces AlCrN

Defense date:

Jan. 1, 2011

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Institution:

Poitiers

Disciplines:

Materials science and engineering

Authors:

Directors:

Abstract EN:

This work is dedicated to the systematical study of Al1-xCrxNy coatings starting from coating processes to mechanical properties through composition and phase structure investigations. Al1-xCrxNy thin films have been synthesized by two PVD systems: ion-beam sputtering (IBS) and magnetron sputtering (MS). Composition of the coatings is studied by both EDXS and RBS, this latter being very sensitive to light elements such as nitrogen. Most compositions are sub - stoichiometric with Nitrogen content (y < 1) decreasing continuously when Chromium content (x) increases. This result has been confirmed by the TRIM’s simulation. Structure and morphology of the films which include thickness, phases and texture, Scherrer’s nano grain - size are analyzed mainly by x - ray techniques such as diffraction and reflectometry. Residual stresses including global residual stresses, real - time in - situ global residual stresses, thermal stresses and in - grain residual stresses are studied using substrate curvature and XRD methods. It emphasizes the importance of considering both composition (x, y) and substrate type in the study of mechanical properties. Two sensitive methods (Picoseconds ultrasonic and Brillouin Light Scattering) were used to study elasticity of the AlCrN films and revealed a sharp transition at x = 0. 4. Nanoindentation technique was applied for analyze indentation modulus and hardness of our Al1-xCrxNy films and furthermore tribological testing for investigating coefficients of friction (COF) of the films deposited on stainless steels by pin – on - disk method.

Abstract FR:

Ce travail est consacré à l'étude systématique de films Al1-xCrxNy depuis leur production jusqu'à leur caractérisation structural et mécanique. Les films ont été synthétises à l'aide de deux systèmes PVD : pulvérisation par faisceau d'ion (IBS) et pulvérisation magnétron (MS). La composition des films est étudiée par EDXS et RBS, cette derrière permettant l'analyse des éléments légers tel que l’azote. La majorité des compositions sont sous- stoechiométriques avec une concentration en azote (y < 1) décroissant continûment lorsque la concentration de Chrome (x) croît. Ce résultat a été confirmé par des simulations TRIM. La structure et la morphologie des films (épaisseur, phase, texture, taille des nano-grains) ont été étudiées essentiellement par diffraction et réflectométrie des rayons X. Les contraintes résiduelles (global, in-situ et intra granulaire) ont été étudiées par la méthode de la courbure et diffraction X. Les résultats montrent l'importance tant de la composition (x, y) des films que du type de substrat. Deux techniques sensibles (l'acoustique picoseconde et la diffusion brillouin) ont été utilisées pour l'étude des propriétés élastiques et ont révélé, une transition abrupte à x = 0. 4. La technique de nano-indentation a été appliquée pour analyser le module d'indentation et la dureté. Des essais de tribologie ont permis de compléter l'étude par la détermination des coefficients de frottement (COF).