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

La dureté d'un métal est sa capacité à résister à la déformation. On la détermine au moyen d'essais normalisés (Brinell, Meyer, Vickers, Rockwell). Le principe est toujours identique : un pénétrateur indéformable laisse une empreinte dans le matériau à tester (figure III.8). On mesure les dimensions de l'empreinte et on en déduit la dureté. Dans notre étude les mesures de la micro-dureté ont été réalisées avec un indenteur de type Vickers.

Pénétrateur : pyramide en diamant de base carrée et d'angle au sommet entre 2 faces opposées égal à 136°

III.3.4.2. Profondeur de pénétration de l'indenteur dans un essai d'indentation :

La profondeur de pénétration h est facilement calculée ; h peut être exprimée en fonction de la diagonale d de la base carrée de l'empreinte pyramidale (dans le cas d'essai Vickers). La profondeur h estégale à :

Quand une charge importante est appliquée, l'indenteur pénètre profondément dans l'échantillon. Si la profondeur de pénétration dépasse l'épaisseur du revêtement, le pénétrateur continue son enfoncement dans le substrat. La forme de la zone déformée ne correspond plus à la forme de l'indenteur, si la dureté du substrat diffère considérablement de celle du revêtement

microduromètre de type FM-300e de la socëté Futur_TECH_CORP (Japon) avec un pénétrateur en diamant sous forme pyramidaleà base carrée. Les charges utilisées sont : 10g, 25g, 50g, 100g, 200g, 300g, 500g, et 1000g.

Dans la première partie de ce chapitre nous présentons les résultats de notre travail portant sur la caractérisation des échantillons recuits et non recuits. Leséchantillons constituant la série couche mince de tungstène 6um déposée sur un

XC70 et notés dans la suite (W/XC70). En plus, la deuxième partie présente une étude comparative entre les trois séries (S1, S2 et S3). de sur les différentes
propriétés structurale, morphologique et mécanique a été étudiée.

La structure cristalline des couches minces dépend de plusieurs facteurs notamment le vide,

paramètres jouent un rôle très important dans la détermination de la structure des couches minces.

Dans ce contexte, on a obtenu quelques diagrammes de diffraction des rayons X réalisés sur le substrat XC70 nu et sur deséchantillons (W/XC70) de la troisième série avant et après recuit.

IV.1.1.1. Analyse des échantillons non recuits et recuits entre 600 et 700°C : L'analyse des substrats XC70 nus par diffractio

phase Fe qui diffracte, avec une absence totale du carbone et de ses alliages (figure IV.1). Les résultats de l'analyse des substrats revêtus par une couche mince de tungstène, d'épaisseur 6 avant tout recuit thermique sont illustrés dans la figure IV.2. On observe l'existence de cinq pics seulement situés à : 40.36° ; 58.36°; 73.16°; 100,64° et 114.88°. Ces pics sont attribués à la phase W et correspondent aux familles de plans (110), (200), (211), (310) et (222) respectivement. On remarque également l'absence des pics du substrat. Ceci est dueévidemment à l'épaisseur relativement grande de la couche mince de tungstène par rapport à la profondeur maximale de

(Cu)=1.5406Å est u=0.33um^-1 [58]).Il est intéressant, par ailleurs, de noter la croissance privilégiée suivant la direction [222] au lieu de la direction [110] d'après les fichiers ASTM du tungstène. En outre, il faut souligner l'apparition des quelques pics en plus de ceux du tungstène dans les spectres de DRX enregistrés pour les échantillons recuits à 600°C et 700°C

(Figure IV.3). Ces pics correspondentà la phase Fe (ferrite) et la phase Fe3C (Cémentite). L'observation de ces réflexions est due probablement au décollement partiel de la couche mince de tungstène. La non détection de carbures de tungstène à ces températures nous laisse penser que l'apport énergétique n'est pas suffisant pour activer la diffusion des atomes du carboneà travers le substrat vers la couche de tungstène, afin de former ces carbures.

de diffraction correspondant aux différentes phases constituant les échantillons, avant et après

Figure IV.3 : Spectres de DRX des échantillons [W (6 m)/XC70] recuits
à 600 °C et 700 °C pendant 30 min.

Le recuit des échantillons entre 900°C et 1000°C pendant 30 minutes (figure IV.4) favorise l'interdiffusion et provoque la réaction entre la couche mince de tungstène et le substrat, ce qui conduità la formation de nouvelles phases.

Le spectre de DRX enregistré pour un échantillon recuit à 900°C pendant 30 minutes, montre pic, en plus de ceux du tungsêne. Il est identifié comme étant du carbure W2C. Ce pic situé vers ~40°, correspond à la famille de plan (101) de la phase hexagonale W2C. On remarque aussi à cette température, une chute drastique de l'intensiédu pic de tungstène pur situé à 114,88°.

Par contre, pour un recuit à 1000°C pendant 30 minutes, il apparait une série de 12
nouveaux pics situés à 34,5°, 38,09°, 39,61°, 52,24°, 61,88°, 69,61°, 72,4°, 74,79°, 75,76°,
91,45°, 106,27° et 112,02°, en plus de ceux du tungsêne. Ces nouveaux pics,étant aussi attribués
à la phase W2C, correspondent aux familles de plans (100), (002), (101), (102), (110), (103),
(200), (112), (201), (104), (211) et (114) respectivement. La formation de ce carbure résulte
re le carbone du substrat et le tungstène du revêtement (le carbone étant

IV.1.1.3. Evolution de la structure de la couche de tungstène avec la température de recuit :

Dans l'ensemble des spectres de diffraction des rayons X relatifs auxéchantillons avant et après recuit, on remarque que la couche de tungstène est polycristalline et présente une

thermique provoque la formation et la croissance du carbure W2C de tungstène, il en résulte la

intéressant de souligner l'augmentation remarquable de l'intensité du pic (222) de tungstène pur situé à 114,88° (figure IV.4). Ceci est du, probablement,

En effet, conformément au tableau JCPDS-ICDD (Annexe), la famille de plans (222) du tungstène massif diffracteà =114,917°. En ce qui concerne notre cas, et pourl'échantillon non recuit, ce pic se trouve à 114.88°. En revanche, dans les autres échantillons recuits à des températures 600°C et 700°C, on note un déplacement de ce pic vers les angles 2

=115.24° respectivement. Mais ce pic p à 900°C, comme il est
montré dans la figure IV.5.

Ech S3 Tr=600°C , tr=30min Ech S3 Tr=700°C , tr=30min Ech S3 Tr=900°C , tr=30min Ech S3 Tr=1000°C , tr=30min

Figure IV.5 : Evolution du pic (222) de tungstène avec la température de recuit.

Figure IV.6 : Evolution du paramètre de réseau avec la température de recuit.

Figure IV.7 : Evolution de la taille de grains avec la température de recuit.

angulaire du pic (222). La variation de ce paramètre en fonction de la température de recuit est

On a ensuite calculé la taille de grains à partir de la largeur à mi-hauteur du pic (222) en utilisant la formule de Scherrer (voir chapitre III). L'évolution de la taille des grains avec la température de recuit est représentée sur la figure IV.7. Comme il est prévisible, la taille des grains croit entre 500°C et 700°C on

La croissance de la taille des grains avec l'élévation de la température de recuit, permet de dire que le recuit dans l'intervalle consiáré entre 700 et 1000°C, offre l'énergie nécessaire aux atomes de tungstène pour se réarranger dans le réseau cristallin et se placer dans des sites de substitution normaux.

par microscopie optique deséchantillons non recuits, on constate que ces derniers possèdent des surfaces relativement lisses avec une couleur marron bâlant (figure. IV. 8-a).

fait évoluer la morphologie de la surface. Par exemple : pour un recuità 900°C pendant 30 minutes (figure. IV. 9-a)

de taches de couleur gris métallique, aléatoirement parsemées sur toute la surface, ce qui confirme la formation du carbure de tungstène W2C. On constate, également à cette température, de fissures à la surface des échantillons.

Figure IV.8 : Micrographies obtenues par microscopie optique des échantillons
[W (6 m)/XC70]: a)- non recuit et b)- recuit à 700°C pendant 30min.

Figure IV.9: Micrographies obtenues par microscopie optique des échantillons [W (6 m)/XC70]: a)- recuit à 900°C pendant 30min et b)- recuit à 1000°C pendant 30min.

la figure IV.9-b. On remarque dans ce cas, la croissance des taches grises pour former des particules sphériques, et une augmentation remarquable des fissures (figure. IV. 10).

Pour suivre les changementséventuels de la morphologie deséchantillons, avec un peu plus de détails, on a utilisé la microscopie électronique à balayage. La figure IV.11, illustre des images de la surface des échantillons de la série S3 obtenues par MEB. Comme pour les observations au microscope optique, la morphologie de la surface deséchantillons change avec la température de recuit.

recuit (figure IV.11-a), la surface des échantillons est rela de petites particules blanches dispersées arbitrairement. examen des échantillons recuits à 700°C pendant 30 minutes montre que la morphologie de la surface deséchantillons devient plus rugueuse (figure. IV.11-b). Dans le cas de recuit à 900°C pendant 30 minutes (figure IV.11-c), la rugosité de la surface diminue, un petit fissures à grande distance réparties aléatoirement dans les échantillons.

Les traitements thermiques deséchantillons à 1000°C pendant 30 minutes provoquent une augmentation remarquable des fissures (figure IV.11-d). Ceci est peutêtre lié à la réaction entre le substrat et la couche (c.-à-d la diffusion de carbone vers la couche).

Par conséquent, on peut dire que, si la température augmente, on aura une dégradation par endroits du revêtement de noséchantillons.

Figure IV.11 : Evolution de la morphologie de la surface des échantillons [W (6 m)/XC70] en fonction de la température : a)- non recuit, b)- recuit à 700°C / 30 min.

Des essais de micro-dureté ont été effectués avec des charges variant entre 10g et 1000g. Les variations de la micro-dureté on été suivies en fonction dela température de recuit, la charge

La figure IV.12, présente la variation de la micro-dureté des échantillons en fonction de la température de recuit, en utilisant une charge de 50g. Il apparaît clairement, que la micro-dureté augmente légèrement avec la température de recuit. La valeur de la micro- chantillon non recuit est égale 312 kg/mm² (valeur comparable à celle du tungstène massif). Cependant, après recuit, les valeurs de la micro-dureté sont distinctes : par exemple le recuit deséchantillons à 900°C pendant 30 minutes fait augmenter la micro-dureté ~400kg/mm². A 1000°C/30 min, la micro-dureté devient maximale et prend la valeur ~442kg/mm². On remarque aussi que les valeurs de la micro-dureté à toutes les températures de recuit sont inférieures à celles des carbures massifs WC (~2200 kg/mm²) et W2C (~3000 kg/mm²) [45].

Figure IV.12: Variation de la micro-dureté en fonction de la température de recuit

La croissance de la micro-dureté des revêtements, surtout au-delà de 800°C est due, certainement, à la formation et croissance du carbure W2C. Néanmoins les valeurs obtenues et qui sont inférieures à celles des carbures massifs trouvant leur explication dans le réseau des fissures et dans le quasidécollement du revêtementà ces températures.

La figure IV.13, montre les variations de la micro-dureté des échantillons en fonction des charges appliquées. On remarque que les courbes ont pratiquement la même allure.les décroissent

avec des valeurs notamment très proches. La micro-dureté prend des valeurs, à la surface des
échantillons, supérieures à celles de volume, et ceci quelle que soit la température de recuit: A

icro- 312Kg/mm² à la surface; cependant, sur le palier, c'está-dire en volume, elle est inférieure à 200 Kg/mm², valeur comparable à celle du substrat. Pour les échantillons recuits entre 900°C et 1000°C, la microdureté est considérable à la surface, tandis que sur les plateaux, elle di

la valeur 200 Kg/mm². Ceci est dû principalementà la présence des carbures de tungstène W2C à l'interface (revêtement/substrat), mis enévidence par diffraction des rayons X.

Ech.S3.Non recuit Ech.S3.Recuit à 900°C/30min Ech.S3.Recuit à 1000°C/30min

Figure IV.13: Variation de la micro-dureté en fonction des charges appliquées aux échantillons

c)-Variation de la micro-dureté en fonction de la profondeur de pénétration :

valeur mesurée ne peut jamais être attribuée au revêtement seulement. Il faut tenir en compte la

La figure IV.14, montre les variations de la micro-dureté en fonction de la profondeur de

puis la diminution devient lente. Ce changement en vitesse de diminution estûdà l'effet du substrat sur la micro-dureté, et lorsque la profondeur est importante, les valeurs de la microdureté obtenues se rapprochent beaucoup de celle du substrat. On remarque aussi, que la profondeur après laquelle la dureté diminue lentement, dépend de la température de recuit.

Ech.S3.Non recuit Ech.S3.Recuit à 900°C/30min Ech.S3.Recuit à 1000°C/30min

Figure IV.14: Variation de la micro-dureté en fonction de la profondeur de pénétration dans
les échantillons [W (6 m)/XC70].

IV.2. Etude comparative entre la série S3 et les deux autres séries S1 et S2 :

Les spectres de diffraction des rayons X deséchantillons des trois séries S1, S2 et S3 sont présentés ci-après. Ils ence du traitement thermique sur lesévolutions structurale et micro-structurale deséchantillons étudiés.

Nous avons rapporté, sur la figure IV.15, les spectres de diffraction des rayons X des échantillons non recuits ble des films, on constate que les couches minces de tungstène sont polycristallines avec des orientations préférentielles différentes: suivant la direction [110] dans la série S1 (d'épaisseur 2um), et suivant la direction [222] dans les deux autres séries (S2 d'épaisseur 4um et S3 d'épaisseur 6um). On remarque aussi l'absence des pics du substrat dans les spectres des trois séries. Ceci est dû certainement aux épaisseurs relativement grandes de ces couches

L'analyse des spectres de DRX des échantillons recuits à des températures inférieures à 800°C, ne montre aucun changement structural par rapportà état non recuit, sauf qu'on remarque l'apparition de quelques pics du substrat dans les spectres deséchantillons de la série S3 recuits à 600°C et 700°C. Ceci est dû au décollement partiel de la couche de revêtement à ces températures. En revanche, le recuit des échantillons à une température supérieure ou égale à 800°C (par exemple à 1000 °C/30 min (Figures IV.16, 17, 18.)), favorise la réaction entre les couches minces de tungstène et le substrat, et par conséquent la formation des carbures binaires W2C (pour les trois séries S1, S2 et S3) et WC (pour la première série), et ternaire Fe3W3C (pour les deux premières séries).

		Résultats et interprétations.



								Ech S1 [W (2um)/XC70] non recuit

Figure IV.15: Spectres de DRX des échantillons non recuits pour les trois séries.

Figure IV.16: Spectres de DRX des échantillons de la série S1 [W (2 m)/XC70] avant et après
recuit [76].

Ech S2 Tr=800°C , tr=30min Ech S2 Tr=900°C , tr=30min Ech S2 Tr=1000°C , tr=30min

Figure IV.17: Spectres de DRX des échantillons de la série S2 [W (4 m)/XC70] avant et après
recuit [77].

Figure IV.18: Spectres de DRX des échantillons de la série S3 [W (6 m)/XC70] avant

La comparaison de la microstructure deséchantillons des trois séries est donnée par la figure IV.19. Avant recuit, on remarque que toutes les surfaces deséchantillons sont lisses. Mais après les traitements thermiques appliqués, la morphologie de surface change, et devient plus

Figure IV.19 : La morphologie de la surface des échantillons avant et après recuit à 900°C
pendant 30 min pour les trois séries a) Non recuit, b) série 01, c) série 02 et d) série 03.

Sur la figure IV.20, nous avons rapporté, pour les trois séries, la variation de la
micro-dureté en fonction de la température de recuit. D'après cette figure IV.20, On constate que
-dureté présente la même allure pour les trois séries : une augmentation
avec la température de recuit, mais cette augmentation est légère pour les échantillons de la série
S3. En plus, les valeurs de la micro-dureté des échantillons de référence pour les trois séries S1,

S2 et S3 sont égales respectivement à ~305 Kg/mm²; ~249 Kg/mm² et ~312 Kg/mm² (valeurs comparables à celle du température de recuit, ceci est du probablementà la formation des carbures.

Par exemple, à 1000°C/30 min la micro-dureté des échantillons de la séries S1 devient maximale et atteint ~758 Kg/mm². Mais pour les autres séries S2 et S3, la micro-dureté prend les valeurs suivantes ~520 Kg/mm² et ~442 Kg/mm².

La variation de la micro-dureté en fonction des charges appliquées est illustrée sur la figure IV.21. On constate que toutes les courbes présentent une variation similaire : elles diminuent lorsque la charge appliquée augmente. Cette diminution prend deux vitesses différentes , après cette charge, elle devient très lente avec des valeurs très proches. Les courbes relatives aux séries S2 et

S3 sont voisines, cependant celle de la série S1 est nettement décalée vers le haut. Elle présente, par conséquence, des valeurs de micro-dureté plus grande.

Figure IV.20: Variation de la micro-dureté en fonction de la température
de recuit pour les trois séries.

Ech.S1. recuit à 1000°C/30min
Ech.S2. recuit à 1000°C/30min
Ech.S3. recuit à 1000°C/30min

Figure IV.21: Variation de la micro-dureté des échantillons recuits à 1000°C /30min en
fonction des charges appliquées pour les trois séries.

La formation des carbures de tungstène et leurs transformations avec le temps de recuit sont basées sur la quantité de carbone contenu dans le substrat (0,7% en masse) et fourni par diffusion thermique de ces derniers vers la couche mince de tungstène fournit

de se réarranger pour former des carbures. La diffusion de carbone se produit généralement à travers les défauts de structure de tungstène, surtout par les joints des grains et les interstices (les carbures de tungstène sont des composés interstitiels).

la couche mince de tungstène a un effet non négligeable sur la vitesse de formation et de croissance des carbures de tungstène. Par ailleurs, à cause de leur rayon faible par rapportà celui des atomes de tungstène et de fer, les atomes de carbone pourraient diffuser plus rapidement. En plus, comme la transformation de tungstène en carbures se fait progressivement lors de recuit thermique, nous pouvons dire que la germination des carbures de tungstène se produit à

-dureté de nos échantillons pour les trois séries avec la température de recuit, la charge appliquée et la profondeur de pénétration, épaisseur de la couche mince de tungstène a un effet important. On remarque que la microdureté prend des valeurs très importantes

es par les microscopies optique etélectronique à balayage, on peut dire que, la morphologie de la surface libre deséchantillons dépend fortement de la température et de la durée du recuit.

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

III-3-4. La micro-dureté: