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

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par Mourad Khechba
Université de Constantine - Magister 2008
  

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II.4. Carbures de tungstène : propriétés et applications

Le tungstène pur est un métal de transition de couleur allant du gris acier au blancétain. Il a le plus haut point de fusion (3422 °C) et la plus grande résistance de traction à une température supérieure à 1650 °C. Sa résistance à la corrosion est excellente, et il forme une couche protectrice en oxyde lorsqu'il est exposeà l'air [58]. Le tungstène peut être employé comme un métal pur ou mélangé à d'autres métaux pour faire des alliages [59].

Le carbure de tungstène est l'un de ces alliages, il est composé d'un alliage de tungstène et de carbone qui est obtenu par une suite de réaction chimique. Puisque son point de fusion est d'environ 2800 °C, il est impossible de mettre en forme par fusion [60]. La formation

plusieurs phases avec la dépendance de la structure et la composition de ces phases avec les paramètres du procédé suivi et le type de substrat utilisé [46].

Après une centaine d'année de la découverte du tungstène en 1783. Henri Moissan (1852-1907) a pu former le carbure de tungstène W2C en 1896, au laboratoire de l'école de pharmacie à l'université de paris, et en 1898, P. Williams a formé le carbure WC, alors que le premier carbure de tungstène fritté a été produit en 1914 [61].

II.4.1. Propriétés structurale :

Les métaux du groupe VIA forment des carbures de forme M2C et MC. Le système W-C a été étudié par Rudy [62]. Il comporte deux composés : le WC se cristallise en structure hexagonal simple, et son paramètre de maille est a = 2.9065 Å, c = 2.8366 Å; tandis que le W2C a une structure hexagonal compacte [63].

Le diagramme de phase du système W-C en fonction de la température et du pourcentage de carbone est représenté sur la figure II.3. En consultant ce diagramme, on

 

Généralité sur les carbures des métaux de transition.

constate que le système W-C présente trois grandes zones. La première contient la phase W2C, la deuxième contient la phase WC1-X, et la troisième contient la phase WC.

La première phase W2C se cristallise à une structure hexagonale compacte (L' 3) (figure II.4-a) où les atomes de carbone occupent la moitëdes sites interstitiels octaédriques disponibles [63]. Cette phase apparaît sous trois formes allotropique [62]: hexagonal commandé entre 1500 et 2450 K, orthorhombique entre 2450 et 2750 K, et Hcp entre 2750 et 3050 K. La deuxième phase WC1-X se cristallise en un réseau cubique à face centrée (B1) (figure II.4-b) où les atomes de carbone occupent tous les sites interstitiels octaédriques du réseau du métal, et donnent lieu à un deuxième réseau CFC inséré dans le premier. Tandis que, la troisième phase WC se cristallise à une structure hexagonale simple (figure II.4-c) où les atomes de carbone prennent les positions (1/3,2/3,1/2) dans la maille unitaire.

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

C at.%.C W

Figure II.3 : Le diagramme de phase du système W-C en fonction de la température et du
pourcentage de carbone.

 

Généralité sur les carbures des métaux de transition.

a) W2C b) WC1-x c) WC

Figure II.4 : Les différentes structures cristallines des carbures de tungst ène [64-65].

La phase W2

34%.at C à 2715 °C. C eutectoide entre W et WCà 1250 °C
et fond avec la solution solide de W à (2715 #177; 5) °C et avec WC1-x approximativement à

2758 °C [66]. L 2C sont obtenues comme des produits
intermédiaires pendant la production de WC. La phase WC est la seule phase binaire stableà

la tempé °C [66]. La figure II.5
montre les positions atomiques de C et W dans les deux phases WC et W2C [67].

Figure II.5: Les positions atomique du carbone et de tungst ène dans les phases WC et W2C [67].

 

Généralité sur les carbures des métaux de transition.

II.4.2. Propriétés physiques et mécaniques:

Les carbures de tungstène sont des matériaux durs et très stables à haute température, ils sont caractérisés par: une dureté relativement grande atteignant (2200 Kg/mm2 et 3000 Kg/mm2) est observée pour les deux carbures WC et W2C respectivement (ces composés sont extra durs par rapport au métal de base W (360 Kg/mm2)), une température de fusion très élevée ( une résistivité plus élevée (22 u ène

(5.39 u Elle lui permet classé parmi les matériaux conducteurs [42], un bas coefficient de dilatation thermique (5.2mm/k), un module d'élasticité extrêmement important et une bonne conductivité thermique. Ces deux dernières propriétés sont avantageuses dans les outils de coupe. Ces revêtements sont également fortement résistants à la corrosion dans des milieux acides. Le tableau II.4 représente les propriétés physiques et mécaniques de tungstène et de carbure de tungstène.

Tableau II.4 : Propriétés physiques et mécaniques de tungst ène et de carbure de tungst ène.

Propriétés

Tungstène

Carbure de tungstène

Formule moléculaire

W

WC

Structure cristalline

Cubique Centré

Hexagonale simple

Paramètre de maille :
a( Å ) ; c ( Å )

a =3,165

a =2.9065
c =2.8366

Dureté (kg/mm2)

360

2200

Point de fusion
(°C)

3680

2870

Module de Young (GPa)

407

720

Conductivité thermique
(W·m 1·K 1)

174

84.02

Résistivité (u .cm)

5,39

22

coefficient de dilatation
thermique (10-6K-1)

4,59

5.2

Densité (g/cm3)

19,3

15.8

Couleur

gris acier au blanc étain

gris-noir

Résistance à la traction
(GPa)

/

0.3448

 

Généralité sur les carbures des métaux de transition.

II.4.3. Application de carbure de tungstène

Grâce à leurs propriétés remarquables, Les revêtements durs en carbure de tungstène sont très importants dans l'industrie et les diverses applications technologiques. Jls sont

de composants à haute température dans les domaines ëronautique et nucléaire [37-39]. Les carbures de tungstène utilisés aussi comme des couches ésistants à la corrosion, à l'érosion et à rayer pour des bijoux. Ces derniers sont également utilisés dans la fabrication des abrasifs et des roulements. En plus, les carbures de tungstène sont également trouvés comme les métaux nobles tels que Pt, Pd et Jr dans l'industrie de catalyse (comme catalyseurs dans les éactions de synthèse d'hydrogénation, de méthanisation et d'ammonium). En raison de leurs basses ésistivités électriques et leurs stabilités chimiques et thermiques, les couches minces des carbures de tungstène sont utilisées comme barrière d microélectronique [68].

 

Procédures expérimentales et méthodes de caractérisation.

Dans ce chapitre, nous décrirons les procédures expérimentales suivies durant notre travail, puis nous décrirons les techniques de caractérisation.

III.1. Préparation des échantillons :

que étude expérimentale, en raison de son influence directe sur les propriétés recherchées. Elle se déroule en plusieursétapes :

La préparation des substrats :

surface des substrats utilisés, ainsi que les différents types de nettoyage qui précèdent

s planes et propres.

Le dépôt des couches minces suivant une m éthode appropriée.

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