Impact de la température sur l'évolution thermique des films minces PVD innovants de type verre métallique et céramique : Analyse physico-chimique et microstructurale

Ces dernières années, les exigences de l'industrie dans le développement de nouveaux matériaux fonctionnels en mesure de résister aux conditions difficiles pendant l'opération d'usinage sont en constante augmentation. Les chercheurs doivent donc trouver de nouvelles solutions pour répondre aux besoins industriels de plus en plus sévères. L’utilisation de revêtement protecteur à la surface de l’outil de coupe est une solution très efficace. Des nouveaux matériaux architecturés sont étudiés pour leurs propriétés mécaniques, physiques et chimiques uniques assurant une résistance aux dégradations de surface dues à la corrosion, l'usure, le frottement; en particulier lorsque ces outils sont utilisés dans des environnements hostiles. Dans le cadre de cette thèse de doctorat, l'influence de la température sur la stabilité structurale de deux types de films minces déposés par PVD a été étudiée. Des films céramiques et de verre métallique ont été envisagés. Afin de préparer et optimiser ces films, le projet s’est axé sur l'étude de l'influence des conditions de dépôt sur les caractéristiques de croissance du film: composition chimique, structure, morphologie, puis sur les changements ultérieurs des principales propriétés des films minces, à savoir la résistance à l’oxydation et à la cristallisation lors de leur utilisation à hautes températures. Une démarche multi-échelle a été développée pour caractériser au mieux les couches. La première partie du travail est liée aux revêtements céramiques à base de CrN pour donner de nouvelles fonctionnalités et améliorer la surface des outils de coupe dans le but essentiel d'accroître leur durée de vie. La seconde partie du manuscrit est dédiée aux films minces de verres métalliques de Zr-Cu préparés par un procédé de co-pulvérisation magnétron PVD. Le but de cette partie consiste en l’étude de la relation entre la structure amorphe de ces films et leurs propriétés mécaniques. La conservation du caractère amorphe de ces films en température présente également un caractère essentiel. Les verres métalliques ont récemment attiré un fort intérêt car ils présentent des propriétés mécaniques intéressantes à température ambiante. Ils présentent, de ce fait, un grand potentiel pour des applications d'ingénierie en raison de leurs caractéristiques mécaniques et physico-chimiques uniques (haute limite élastique, résistance à la corrosion ...). Pour relier les propriétés mécaniques des couches à l’évolution de leurs microstructures, une partie importante de ce travail a porté sur l’observation de l’évolution de la couche au cours du chauffage au moyen de techniques de caractérisation in situ. Les films minces proposés au cours de ce travail peuvent être envisagées pour un large gamme d’application dans l’ingénierie de surface pour protéger les surfaces et améliorer la durée de vie des matériaux.In the recent years the industrial requirements to develop new functional materials able to overcome the severe conditions during machining operation are continuously increasing. Researchers then must find novel solutions to respond to their severe industrial requirements. To coat the tool surface with advanced coatings is the most efficient solution. New nanostructured materials may nowadays exhibit unique mechanical, physical and chemical properties ensuring notable degradation resistance where the surface protection of materials against corrosion, wear, friction or oxidation is a key issue, particularly when operating in hostile environments. Within the scope of this Ph.D. thesis the influence of the temperature on the structural stability of two different PVD ceramic and metallic glass thin films is proposed. The main goal consists in the development of two distinct classes of thin films, with a wide range of properties. In order to prepare these films, the project will be focused on the study on the influence of PVD deposition conditions in the particular film’s growth characteristics: chemical composition, structure, morphology and the subsequent changes in the main properties of the thin films, namely oxidation and crystallization resistance, especially. For that purpose we adopted the multiscale approach. The first part is related to the ceramic CrN-based coatings to give new functionalities and improve the tools’ surface with the primary aim to increase their lifetime. Secondly, new protective materials able to better protect the exposed surfaces against high temperature oxidation have been proposed, namely CrAlN and CrAlYN coatings as will be evidenced in this manuscript. The second part of the manuscript is dedicated to the innovative Zr-Cu thin films metallic glasses prepared by a PVD magnetron co-sputtering method with the objective to investigate the amorphization ability and their structural properties. Their excellent properties at room temperature have recently attracted attention as a new class of materials with great potential for engineering applications due to unique mechanical and physico-chemical characteristics (high elastic strain limit, corrosion resistance…). Finally, an important approach during the course of this thesis was the real time observation of the structure and surface modifications during heating by means of in situ methods. The thin films proposed during the course of the work could be straightforward used as surface engineering solutions to protect and extend the lifetime of the materials and components