Modélisation du lien entre la dureté et la période d’empilement dans un revêtement métal/céramique nano-architecturé en multicouche

Les nitrures metalliques de titane et d’aluminium (TiAl)N sont des revetements utilises depuis de nombreuses annees pour leurs proprietes remarquables de durete et de resistance a l’oxydation. Il a ete montre que le module d’indentation et la durete de revetements Ti(1-x)AlxN dependent de la teneur en aluminium et que les proprietes optimales sont obtenues pour x=0,46 [1,2]. Une possibilite d’amelioration de la durete de ce type de revetement est de les architecturer en multicouche metal/ceramique. L’objectif est de modeliser le lien entre la durete d’un revetement [Ti0,54Al0,46/Ti0,54Al0,46N]n et la periode Λ de l’empilement des couches afin de comprendre les phenomenes qui generent l’augmentation de la durete aux plus faibles periodes [3]. Un modele numerique de l’essai de nanoindentation Berkovich sur des echantillons nanostratifies a ete elabore. L’interface metal/ceramique est consideree parfaite et sans epaisseur. Les comportements elastoplastiques des couches elementaires de metal et de ceramique ont ete identifies par nanoindentation Berkovich sur des echantillons revetus d’une seule couche. Ce modele elements finis 2D axisymetrique permet d’obtenir la courbe d’indentation (P-h) pour des nanostratifies en fonction de la periode Λ et d’une vingtaine d’autres parametres (elastoplastiques, geometriques, dimensionnels, …). Afin de confronter ce modele a des experiences, des nanostratifies d’epaisseur d’environ 2 micrometres de differentes periodes Λ (de 10 a 50 nm) ont ete architectures par pulverisation reactive a signal de commande cyclique (RGPP) en alternant une couche Ti0,54Al0,46 et une couche Ti0,54Al0,46N. Les echantillons ainsi obtenus ont ete testes par nanoindentation Berkovich. Les previsions du modele sont en tres bon accord avec l’experience pour la plus grande periode (50 nm), mais se degradent lorsque la periode diminue. Le modele ne permet pas de reproduire l’augmentation de la durete aux plus faibles periodes. Une analyse de sensibilite du modele de la courbe d’indentation a ete menee. Elle montre l’importance de la fraction volumique de ceramique dans le systeme bicouche metal/ceramique et de l’ecrouissage de la couche metallique. Une analyse spectrographique par spectroscopie de perte d'energie des electrons au microscope electronique a transmission pour la periode Λ=10 nm a mis en evidence une proportion d’azote dans la couche metallique sur quelques nanometres, signe d’une intermixion des couches. Ces resultats montrent que des phenomenes elastoplastiques a l’interface metal/ceramique jouent un role important aux faibles periodes et remettent en cause l’hypothese initiale d’interface parfaite et sans epaisseur. Il est montre que l’ajout dans le modele d’une couche de transition ayant un comportement elastoplastique moyen metal/ceramique permet de reproduire les courbes de nanoindentation experimentales et que l’epaisseur de cette couche est en tres bon accord avec les observations spectroscopiques.