Méthodologie multi-échelle basée sur l'expérimentation et la modélisation destinée à concevoir des revêtements nanostratifiés métal/nitrure ultra-durs – MULTI-NANO-ULHC

Bien que les revêtements de nitrures métalliques soient utilisés depuis quelques décennies pour leurs propriétés exceptionnelles de dureté, de résistance à l'usure et à l’oxydation; leur amélioration reste encore un défi pour augmenter les durées de vie et diminuer les consommations. La plupart des revêtements de protection sont basés sur des nitrures de type TiN ou CrN et leurs propriétés sont améliorées en les associant à un autre composé pour fabriquer des systèmes ternaires comme (Ti,Al)N, considéré aujourd’hui comme un système modèle.
Pour évoluer vers des revêtements plus performants, une solution consiste à déposer des revêtements multicouches métal/nitrure, TiAl/TiAlN en utilisant une technique récente de pulvérisation magnétron réactive (Reactive Gas Pulsing Process) RGPP qui présente l’avantage d’utiliser une seule cible métallique et moduler le débit d’azote dans la chambre de dépôt. L’architecture du multinanocouche permet ainsi de profiter des propriétés du nitrure, et de la résistance à la fissuration des interfaces. Des travaux récents menés par l’équipe projet ont montré que la période de l’empilement et les interfaces des nanocouches ont un impact important sur la dureté lorsqu'un effet de super-réseau existe dans la structure cristallographique du multicouche. Afin d'économiser du temps et des ressources brutes, le projet actuel vise à établir une méthodologie multi-échelle basée sur l'expérimentation et la modélisation qui permettra la conception de revêtements ultra-durs nanostratifiés destinés à terme à des outils ou des pièces mécaniques. Cette méthodologie circulaire permettra de réduire le nombre de revêtements déposés et leur caractérisation. Elle s'appuiera sur l'expertise de mécaniciens, chimistes et physiciens couvrant ainsi toute la chaîne de l'instrument et acquisition de données, modélisation et simulation, jusqu'à l'analyse et exploitation des résultats. Il s’agira de créer une boucle avec 1-la mesure par nanoindentation et les modèles d'éléments finis (FEM) associés et optimisés, 2-la détermination de structures stables et de leurs propriétés en utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), 3-la validation par dépôt RGPP des films et de leur caractérisation structurale (spectroscopie de rayons X à dispersion d’énergie, diffraction des rayons X, réflectométrie des rayons X, microscopie électronique à transmission et à haute résolution, spectroscopie de perte d'énergie des électrons, cartographie de l'orientation). A titre indicatif, certains comportements tribologiques seront analysés afin d'évaluer la possibilité de faire évoluer ces revêtements vers des applications industrielles. Enfin, une fois la méthodologie robuste, elle sera éprouvée en remplaçant l’aluminium (Al) par un autre élément. Le tantale (Ta), largement utilisé de nos jours, sera choisi pour confirmer qu'une croissance principale du réseau cubique est préférée dans le nitrure de titane ternaire polycristallin, et favorable à l'obtention d'un revêtement multicouche TiTa/TiTaN aux bonnes propriétés mécaniques. À la fin du projet, nous pensons avoir développé une nouvelle méthodologie, conçu un revêtement nanostratifié ultra-dur à base de (Ti,Al)N avec un empilement et des interfaces optimisés et avoir appliqué cette méthodologie aux films minces multicouches à base de (Ti,Ta)N. Ce projet changera radicalement la conception des revêtements multicouches nanométriques en évitant de commencer par de nombreuses campagnes de dépôt et de caractérisations fines, coûteuses et longues. Afin d'atteindre les objectifs, le projet démarrera en janvier 2023 et durera 48 mois. Il se composera de trois groupes de travail complémentaires et d’un indicatif avec une bonne gestion des risques. Deux doctorants et deux étudiants MASTER seront recrutés pour étoffer l’équipe des permanents. Les responsables de chaque partenaire gèreront l'impact scientifique, les relations entre la science et la société et les impacts socio-économiques.