Revêtements de nitrure d'alliage à haute entropie pour environnements extrêmes - Université de Technologie de Belfort-Montbeliard Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

High entropy alloy nitride coatings for extreme environments

Revêtements de nitrure d'alliage à haute entropie pour environnements extrêmes

Résumé

High entropy alloys form a new branch of material science since their first definition by Yeh et. al. in 2004. Coatings made from high entropy alloy nitrides (HEAN) show interesting properties for the machining field, especially regarding hardness and oxidation resistance. In this study, the mechanical properties and oxidation resistance of HEAN coatings (AlCrTiV)N, (AlCrTiZr)N, (AlCrVZr)N and (AlTiVZr)N synthetized through cathodic arc deposition with various bias voltage are investigated. All coatings are solid solutions, monophasic for (AlCrTiV)N and biphasic with a ZrN phase for the others, with FCC structures textured along the (111) plans. (AlTiVZr)N coatings show the lowest oxidation resistance with important scaling at 600 °C and (AlCrTiV)N coatings show the highest up to 800 °C. The highest hardness value is reached by all four HEAN compositions around 40 GPa. The lowest friction coefficient is 0.44 and reached by the (AlCrTiV)N coating deposited at 100 V while the lowest wear rate is 2.6 . 10⁻⁷ mm³.N⁻¹.m⁻¹ reached by the (AlCrVZr)N coating deposited at 150 V. Theses mechanical properties slightly decrease avec annealing at 600 °C for 2 hours in air, the bulk of most samples reaching a hardness of 34 GPa. The HEAN coatings, especially (AlCrTiV)N and (AlCrVZr)N, show interesting properties for the machining industry. A prototype of a compact cathodic arc sputtering machine is also developed in this study. The development stages as well as the multilayered TiN/TiAlN coatings synthesized in this prototype with various configurations are also investigated and show promising results for small scale machining coatings quick deposition.
Les alliages à haute entropie forment un nouveau pan de la science des matériaux depuis leur définition par Yeh et. al. en 2004. Les revêtements en nitrure d'alliage à haute entropie (HEAN) présentent des propriétés, notamment en termes de dureté et de résistance à l'oxydation, particulièrement intéressantes pour le milieu de l'usinage. Dans cette étude, les propriétés mécaniques et la résistance à l'oxydation des revêtements HEANs (AlCrTiV)N, (AlCrTiZr)N, (AlCrVZr)N et (AlTiVZr)N déposés par évaporation par arc cathodique à différentes tensions de polarisation sont investiguées. Les revêtements sont des solutions solides de structures CFC texturées selon les plans (111), monophasée pour (AlCrTiV)N et biphasée avec une phase de ZrN dans les autres. Des quatre compositions, seuls les revêtements (AlTiVZr)N présentent une faible résistance à l'oxydation avec un écaillage important dès 600 °C. A l'inverse, les revêtements (AlCrTiV)N présentent une grande résistance à l'oxydation jusqu'à 800 °C. Les quatre HEANs atteignent une dureté maximal d'environ 40 GPa. Le coefficient de frottement le plus bas est 0,44, atteint par l'échantillon (AlCrTiV) déposé à 100 V de tension de polarisation et le taux d'usure le plus faible est 2,6 .10⁻⁷ mm³.N⁻¹.m⁻¹, atteint par l'échantillon (AlCrVZr)N déposé à 150 V. Ces propriétés mécaniques diminuent faiblement après un recuit à 600 °C sous air pendant 2 heures, la dureté à l'intérieur de la majorité des revêtements atteignant 34 GPa. Les HEANs (AlCrTiV)N et (AlCrVZr)N, en particulier, peuvent être intéressant pour le milieu de l'usinage. Un prototype de machine compacte de dépôt par évaporation par arc cathodique est également développé. Les étapes du développement et les revêtements multicouches TiN/TiAlN déposés dans ce prototypes en faisant varier sa configuration sont également investigués et forment une preuve de concept pour le dépôt rapide à petite échelle de revêtements pour l'usinage.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04041392 , version 1 (22-03-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04041392 , version 1

Citer

Matthieu Nussbaum. Revêtements de nitrure d'alliage à haute entropie pour environnements extrêmes. Matériaux. Université Paris-Saclay, 2023. Français. ⟨NNT : 2023UPASF010⟩. ⟨tel-04041392⟩
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