Mécanismes d'usure de revêtements de nitrure de titane et d'aluminium en microtribologie

Le comportement à l’usure de films minces de Ti1-xAlxN (0 ≤ x ≤ 1) déposés par PVD est caractérisé et analysé en fonction de la micro et nano-structure des couches. La structure de ces films est à l’origine de leurs propriétés fonctionnelles. Les directions de croissance des films nanostructurés ont été mesurées par diffraction des rayons X. Les modes d’endommagement des films ont été obtenus par des essais de microtribologie à température ambiante contre une bille d’alumine pour pallier l’usure du pion, à faible chargement et faible vitesse de glissement, pour éviter la formation de couches d’oxyde en surface. Pour comprendre les mécanismes d’usure engendrés par le frottement de la bille, plusieurs essais ont été mis en œuvre : détermination de la ténacité par des essais de rayure, observation de la trace par microscopie électronique à balayage et mesure du volume d’usure après plusieurs allers-retours par profilométrie interférométrique par holographie. Lorsque les débris d’usure restent piégés dans le sillon, leur quantité, directement liée à la résistance à l’initiation de fissures du revêtement, et leur nature, ductiles ou fragiles, ont une grande influence sur l’endommagement final. Les films à forte teneur en aluminium texturés selon la direction [002] du réseau hexagonal, présentent un comportement fragile. Lorsque la teneur en aluminium augmente, le nombre de cycles au bout duquel le coefficient de frottement subit un accroissement considérable diminue. Le nombre de cycles à partir duquel le coefficient de frottement augmente considérablement diminue lorsque la concentration en aluminium augmente. Les films riches en titane dont la direction principale de croissance est [200] du réseau cubique, présentent un meilleur comportement à l’usure. Pour ces films ductiles, l’existence de domaines orientés suivant la direction [111] semble jouer un rôle important sur la ténacité. En effet, la quantité de débris générés est liée à une plus ou moins grande proportion de domaines cristallisant dans cette direction

Etude de la structure de films minces de nitrure de titane et d'aluminium Ti1-xAlxN (0 <= x <= 1) et de son rôle sur l'indentation

Une série de films Ti1-xAlxN (0 = 0,68). Pour Ti0,32Al0,68N, DRX et EXAFS ont révélé la coexistence de domaines cubiques, dans les zones mal cristallisées, et de domaines hexagonaux, dans les zones cristallisées. La microstructure analysée en MET est colonnaire pour toute la série des films Ti1-xAlxN. L'examen des empreintes d'indentation réalisées à différentes charges montre que les couches de Ti1-xAlxN deviennent de plus en plus fragiles avec l'augmentation de la teneur en Al. Pour les films riches en Ti, la grande proportion de joints de grains permet le glissement des colonnes les unes contre les autres. Pour les films riches en Al, le nombre des fissures dans l'épaisseur augmente avec la proportion d'Al dans le film. De plus, une courbure des colonnes (constituées par des grains de symétrie hexagonale) sous la pointe de l'indenteur induit une désorientation de quelques degrés de ces cristallites autour de la direction principale de croissance.A serie of Ti1-xAlxN films (0 = 0.68). For Ti0_32Al0.68N, DRX and EXAFS probes revealed the coexistence of cubic like-TiN areas, in the badly crystallized zones, and of hexagonal like-AlN areas, in the crystallized zones. Column-like growth for all Ti1-xAlxN films is highlighted by TEM study. The indentation prints examination, carried out at various loads, shows that the Ti1-xAlxN coatings become more and more brittle with increasing the Al content. For Ti-rich films, high grain boundaries proportion allows the columns sliding ones against the others. For Al-rich films, the number of cracks within thickness increase according to the Al content. Moreover, the bending of the columns under the indentation tip (consisted of hexagonal symmetry grains) induced few degree displacement of these crystallites around the principal growth direction.MULHOUSE-SCD Sciences (682242102) / SudocSudocFranceF

Analyse et caractérisation d'une silice soumise à un processus de dégradation chimique (approche ponctuelle et locale)

Ces travaux sont basés sur l étude du comportement structural d une silice réactive hétérogène issue d un granulat siliceux naturel (silex) soumis à un processus de dégradation physico-chimique : la Réaction Alcali Silice. L impact de la réaction sur le granulat dépend ponctuellement du degré d hétérogénéité de la structure, de ce fait, le recours aux techniques d analyse ponctuelle est alors nécessaire. Ainsi, toutes les étapes de la dégradation de la silice sur un grain de quelques microns ont été réalisées grâce notamment à l utilisation du micro faisceau de la ligne LUCIA sur SLS. L étude des comportements des éléments calcium et potassium dans la structure du granulat a été réalisé par EDX et conforté par l analyse des environnements atomiques du silicium et des cations par l interprétation des spectres d absorption X (XANES). Ces études ont permis d avancer dans la compréhension des mécanismes réactionnels mis en jeu au cours de la RAS.These works are based on the study of the structural behaviour of a heterogeneous reactive silica resulting from a natural siliceous aggregate (flint) submitted to a physico-chemical degradation process: the Alkali Silica Reaction. The impact of the reaction on the aggregate depends punctually of the degree of heterogeneousness of the structure; therefore, the appeal to the techniques of punctual analysis is then necessary. So, all the stages of the degradation of the silica on a grain of some microns were realized due to the use of the microbeam of the line LUCIA on SLS. The study of the behaviour of elements calcium and potassium in the structure of the aggregate was realized by EDX and consolidated by the analysis of the atomic environments of the silicon and cations by the interpretation of X-Ray absorption spectrums (XANES). These studies allowed to advance in the understanding of reactions mechanisms involved during ASR.MULHOUSE-SCD Sciences (682242102) / SudocSudocFranceF

Study of Mechanisms involved in reactive silica

International audienc

Approche multi-technique et multi-échelle d'étude des propriétés structurales des matériaux hétérogènes (application à un granulat silicieux naturel)

Une approche multi-technique et multi-échelle a été élaborée pour l'étude des propriétés structurales de matériaux hétérogènes. Différentes techniques ont été utilisées parmi lesquelles: La microscopie Electronique à Balayage Environnementale, la Diffraction des Rayons X, la spectroscopie d'absorption X et la Résonance Magnétique Nucléaire. La corrélation des résultats obtenus à différentes échelles nous a permis d'avancer dans la compréhension des mécanismes de l'altération structurale d'un granulat SiO2 soumis à la réaction Alcali-Silice. A grandes distances, les changements structuraux apparaissent principalement par la formation d'amorphe. D'après la RMN, cette phase est constituée d'un mélange de silanols et de silice amorphe. Ce produit est favorable à la formation de gels dans le granulat. A l'ordre local, les changements observés autour des atomes de silicium permettent de relancer la discussion sur la validité du déroulement supposé de l'étape d'initiation de la réaction.A multi-technique and multi-scale approach was developed in order to study the structural properties of heterogeneous materials. Different techniques were used: Environmental Scanning Electron Microscopy, X-Ray Diffraction, X-ray absorption spectroscopy and Nuclear Magnetic Resonance. Correlations between the results obtained at different scales enabled to increase the comprehension of the structural deterioration of a SiO2 aggregate due to the Alkali-Silica Reaction processes. At the long-range order the structural changes appear mainly by the formation of amorphous phase. According to the NMR, this phase consists of a mixture of silanols and amorphous silica. This product that have a random composition along the reaction process could be likely to cause formation of expansive product in the aggregate. At the short-range order, the changes observed in the vicinity of silicon atoms make it possible to start again discussion on the supposed initiated step of the reaction.MULHOUSE-SCD Sciences (682242102) / SudocSudocFranceF

Hydrothermal Synthesis and Characterization of Ni-Al Montmorillonite-Like Phyllosilicates

International audienceThis work describes the first hydrothermal synthesis in fluoride medium of Ni-Al montmorillonite-like phyllosilicates, in which the only metallic elements in the octahedral sheet are Ni and Al. X-ray diffraction, chemical analysis, thermogravimetric and differential thermal analysis, scanning electron microscopy and transmission electron microscopy confirm that the synthesized samples are montmorillonite-like phyllosilicates having the expected chemical composition. The specific surface areas of the samples are relatively large (>100 m2 g−1) compared to naturally occurring montmorillonites. 29Si and 27Al nuclear magnetic resonance (NMR) indicate substitutions of Al for Si in the tetrahedral sheet. 19F NMR and Ni K-edge extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) local probes highlight a clustering of the metal elements and of the vacancies in the octahedral sheet of the samples. These Ni-Al phyllosilicates exhibit a higher local order than in previously synthesized Zn-Al phyllosilicates. Unlike natural montmorillonites, where the distribution of transition metal cations ensures a charge equilibrium allowing a stability of the framework, synthetic montmorillonites entail clustering and instability of the lattice when the content of divalent element in the octahedral sheet exceeds ca. 20%. Synthesis of Ni-Al montmorillonite-like phyllosilicates, was successfully achieved for the first time. These new synthetic materials may find potential applications as catalysts or as materials with magnetic, optical or staining properties