Memoire Online - Caractérisation de la réaction interfaciale entre une couche mince de tungstène et un substrat d'acier

MEMOIRE
Présenté pour obtenir le diplôme de Magister en Physique
Spécialité : Sciences des Matériaux
Option : Métallurgie

In this work, we characterize the reaction of tungsten thin layer (6um thickness) deposited by rf magnetron sputtering technique at 500°C, during 60min, with a steel XC70 substrate (according to AFNOR) containing 0,7 % of carbon.

The samples (thin layer of tungsten + steel substrate) were submitted to thermal treatments in vacuum at various temperatures (500°C-1000°C) and during different times. The specimens are characterized by X ray diffraction (XRD), optic microscopy, scanning electron microscopy (SEM) and by Vickers tests for the measurements of micro-hardness.

In the temperature range 500-800°C, no formation of tungsten carbides was observed. However, the annealing at a temperature greater than or equal to 900°C promotes the reaction between the constituents of the samples (W, Fe, C), and hence the formation of W2C carbide. No other compounds were detected.

The micro-hardness measured by Vickers tests, increases with the rise in temperature, particularly from 900°C. The increase in the hardness is due, probably, to the formation and growth of W2C carbide.

It is also shown that, the micro-hardness decreases with increasing of the applied load and the depth of penetration until substrate.

The formation of ternary carbide Fe3W3C takes place after annealing at T C.
The mono carbide WC is obtained with an annealing at 1000°C for 60 min, only in the case of the thinner coating (2 m).

The morphology of the surface samples depends on the temperature and duration of thermal annealing.

Introduction générale :

L'élaboration de matériaux sous la forme de films minces présente un intérêt majeur

Les matériaux élaborés sous la forme de films minces possèdent parfois des propriétés physico-chimiques différentes en de nombreux points de celles des matériaux massifs. La nature chimique, la morphologie et la structure cristallographique du film sont en effet

Les carbures et les nitrures des métaux de transition sont fréquemment les plus utilisés grâce à leur réfractérité exceptionnelle et leurs propriétés remarquables : stabilités thermiques, duretés plus élevées et faible résistivité électrique [1-2]. Divers procédés, tels que les dépôts physique en phase vapeur (PVD) et chimique en phase vapeur (CVD), permettent de produire ces revêtements sous forme de couches minces ou multicouches.

Le but de ce travail est la caractérisation de la réaction interfaciale des couches minces de tungstène déposées par la technique de pulvérisation cathodique RF à la température 500°C pendant 60 min, avec des substrats d'acier d'une nuance XC70 contenant 0,7% en poids de carbone (d'après AFNOR).

Dans le premier chapitre, nous présentons, dans une première partie, les méthodes d'élaboration les plus couramment utilisées pour la réalisation des couches minces,

chapitre, nous décrivons des définitions simples sur le phénomène de diffusion, puis leurs mécanismes et leurs divers types.

Dans le deuxième chapitre, nous présentons des généralités sur les carbures des métaux de transition. Deux grandes parties ont été développées : les carbures des métaux de transition, puis les carbures de tungstène.

le troisième chapitre, est consacré à les procédures expérimentales suivies pour réaliser les couches minces des carbures de tungstène, nous décrivons aussi dans ce chapitre les différentes méthodes de caractérisation utilisées telles que: La diffraction des rayons X (DRX), le microscope optique, la microscopieélectronique à balayage (MEB), et les essais Vickers pour les mesures de la micro-dureté.

Les résultats expérimentaux concernant les proprëtés structurales, morphologiques et mécaniques des couches minces des carbures de tungséne seront éxposés et discutés dans le quatrième et dernier chapitre.

	Fichiers ASTM.
Iron Iron,syn								Int				h k l
Rad : CuK 1 : 1,45056 Filter: Ni Beta d-sp :				44,673				100				1 1 0
Cut off: Int: Diffract. I/Icor:				65,021				20				2 0 0
Ref: Swanson et al, Nati. But. Stand. (U.S.), Circ.539,IV,3(1955)				82,333				30				2 1 1
Sys: Cubic S.G: Im3m (229)				98,945				10				2 2 0
a: 2,8664 b: c: A: C:				116,385				12				3 1 0
Ref: Ibid.				137,136				6				2 2 2
Dx:2,875 Dm: SS/FOM: F6=225(0044,6)
Color: Gray, light gray metallic.
Pattern taken at 25°C. CAS #. 7439-89-6. The iron used was an exceptionally pure rolled sheet prepared at the NBS Gaithersburg,
MD, USA, [Moore, G, J, Met, 5 1443(1953)] It was annealed in an H2 atmosphere for 3 days at 1100°C and slowly cooled in an
H2 atmosphere. Total impurities of sample<0, 0013%·each metal and non-metal. - -Fe(bcc). Opaque mineral optical data on specimen from Meteorite: RR2Re=57,7, Disp=16
VHN= 158 (mean at 100, 200, 300), Color values=311, 316, 57,9,
Ref: IMA Commission on Ore Microscopy QDF. W type. Iron group, iron subgroup. Also called: ferrite. PSC: c12. Mwt: 55,85.
Volume [CD]:23,55.
W Tungsten									Int			h k l
Rad : CuK 1 : 1,4505 Filter : Ni Beta d-sp :					40,262				100			1 1 0
Cut off: Int: Diffract. I/Icor: 18,00					58,272				15			2 0 0
Ref: Swanson, Tatge. Natl. Bur, Stand. (U.S.), Circ.539,I,28(1953)					73,192				23			2 1 1
Sys: Cubic S.G: Im3m (229)					87,017				8			2 2 0
a: 3,1648 b: c: A: C:					100,642				11			3 1 0
Ref: Ibid.					114,917				4			2 2 2
Dx:19,262 Dm: SS/FOM: F8=108(0093,8)					131,168				18			3 2 1
Color: Gray metallic.					153,571				2			4 0 0
Pattern taken at 26°C. Sample prepared at Westinghouse Electronic

Corp.CAS #. 7440-33-7. Analysis of sample shows SiO2 0, 04%,
K0,.5%, Mo, _Al2O3 and 0,01% each. Merck Index, 8^th, p. 1087. W type. Also cooled: Walfram, PSC: c12, Mwt: 183,85. Volume
[CD]:31.
	Fichiers ASTM.
W2C Tungsten Carbide			2				Int				h k l
Rad : CuK 1 : 1,450589 Filter: Graph Mono d-sp :Diff Cut off:17,7 Int: Diffract. I/Icor: Ref: Natl. Bur, Stand. (U.S.), Monogr.25,21,I,28 (1984)			34,524				25				1 0 0
			38,029				22				0 0 2
			39,569				100				1 0 1
Sys: Hexagonal S.G: P3ml (164) a: 2,99704(9) b: c: 4,7279(3) A: C:1,5775 1 mp: Ref: Ibid.			52,300				17				1 0 2
			61,861				14				1 1 0
Dx:17,144 Dm: SS/FOM: F22=93(0085,28)			69,769				14				1 0 3
Color: Dark gray. Peak height intensity. The mean temperature of data collection was 23,5°C. The sample was obtained from CEKAC, Incorporated. Milwaukee, Wi, USA, CAS #. 12070-13-2. _ob_s)=#177;0,01. Cd 12 type. Tungsten used as an internal stand. PSC: hP3. To remplace 2-1134. Mwt: 379,71. Volume [CD]: 36,78.			72,839				2				2 0 0
			74,979				12				1 1 2
			75,984				10				2 0 1
			81,328				2				0 0 4
			85,228				3				2 0 2
			91,472				2				1 0 4
			100,510				3				2 0 3
			103,472				<1				2 1 0
			106,614				5				2 1 1
			112,189				3				1 1 4
			116,452				1				2 1 2
			120,239				2				1 0 5
			123,650				1				2 0 4
			125,841				1				3 0 0
			135,299				3				2 1 3
			142,932				2				3 0 2
WC Tungsten Carbide Unnamed mineral, syn [NR]							Int				h k l
Rad : CuK 1 : 1,45056 Filter: Mono d-sp : Cut off: Int: Diffract. I/Icor: Ref: Bind. MeCarthy, G, Penn State, University Park, Pa, USA, ICDD, Grant-in-Aid,(1973).			31,474				45				0 0 1
			35,626				100				1 0 0
			48,266				100				1 0 1
Sys: Hexagonal S.G: P6m2(187) a: 2,9062 b: c: 2,8378 A: C:0,9765 Ref: Ibid.			63,979				20				1 1 0
			65,701				6				0 0 2
Dx:15,669 Dm: SS/FOM: F14=29(0035,14)			73,064				25				1 1 1
Sample obtained from General Electric, type KB, lot no. 131412. Described as a mineral from Mengyin, Shadong and Danba, Sichuan, China. Zianhong, Z, Guojie, Y, Zhaohni, L, Acta Mineral. Sinica, 6 344-349 (1986). CAS #. 12070-12-1. CW type. PSC : hp2.To replace 5-728. Mwt :195-86. Volume [CD] :20,76.			75,442				14				2 0 0
			77,101				30				1 0 2
			84,015				20				2 0 1
			98,734				14				1 1 2
			108,186				10				2 1 0
			109,026				1				0 0 3
			109,712				10				2 0 2
			117,292				20				2 1 1

	Fichiers ASTM.
Fe3W3C Iron Tungsten Carbide						Int				h k l
Rad : CuK 1 : 1,4518 Filter : Mono d-sp :Diff Cut off: Int: Diffract. I/Icor: Ref: Azubike,D.Chrysunthou, A. Lgiabon, U.Private, Communication, 7, 162, (1992).			13,759			5				1 1 1
			15,942			<3				2 0 0
			26,590			<3				3 1 1
Sys: Cubic S.G: Fd3m(227) a: 11,1094 b: c: A: Z: 16 Ref: Ibid.		C: mp:	32,203			22				4 0 0
			35,183			30				3 3 1
Dx:14,167 Dm: SS/FOM: F25=183(0037,37)			39,714			50				4 2 2
Equilibrated in evacuated silica capsules at 1200°C for 5 days. C _Fe3W3 type. ~ not permitted by space group PSC: cF112. To remplace 3-980. Mwt: 731.10. Volume [CD] :13,71.11.			42,235			100				5 1 1
			46,185			36				4 4 0
			49,166			4				4 4 2
			52,017			4				6 2 0
			54,764			4				6 2 2
			59,361			16				5 5 1
			64,361			16				5 5 3
			67,377			4				8 0 0
			69,159			20				7 3 3
			72,075			52				8 2 2
			73,807			18				5 5 5
			78,350			7				9 1 1
			78,905			5				8 4 2
			81,145			5				6 6 4
			87,294			22				7 7 1
			89,994			13				10 2 0
			91,649			16				9 5 1
			92,202			10				10 2 2
			96,063			16				9 5 3
			98,839			10				10 4 2

mince, et enfin le phénomène de diffusion, leurs mécanismes et leurs divers type.

Dans ce chapitre, nous présentons des définitions simples sur les couches minces et
leurs applications, puis nous décrivons les méthodes d'élaboration les plus couramment
ouche

I.1. Définition des couches minces:

bidimensionnelle) entraîne une perturbation de la majorité des propriétés physiques. La différence essentielle entre le matériau à l'état massif et celle en couches minces est liée au fait que dans l'état massif on néglige généralement avec raison le rôle des limites dans les propriétés, tandis que dans une couche mince ce sont au contraire les effets liés aux surfaces limites qui sont prépondérants. Il est assez évident que plus l'épaisseur sera faible et plus cet effet de bidimensionnelle sera important, et qu'inversement lorsque l'épaisseur d'une couche mince dépassera un certain seuil; l'effet d'épaisseur deviendra minime et le matériau retrouvera les propriétés bien connues du matériau massif.

matériaux en rapport avec les propriétés physiques et de la simplicité des technologies mise

couches minces. Citons : les métaux, les alliages, les composés réfractaires (oxydes, nitrures, carbures), les composés intermétalliques et les polymères [3].

La seconde caractéristique essentielle d'une couche mince est que, quelle que soit la procédure employée pour sa fabrication, une couche mince est toujours solidaire d'un support sur lequel elle est construite (même s'il arrive parfois que l'on sépare le film mince dudit support). En conséquence, il sera impératif de tenir compte de ce fait majeur dans la conception, à savoir que le support influence très fortement les propriétés structurales de la couche qui y est déposée. Ainsi, une couche mince d'un même matériau, de même épaisseur, pourra avoir des propriétés physiques sensiblement différentes selon qu'elle sera déposée sur un substrat isolant amorphe tel que le verre, ou un substrat monocristallin de silicium par exemple.