Programme et intervenants

JOURNÉE THÉMATIQUE SUR LES TRAITEMENTS DE SURFACE
Traitements de surface
Élaboration, propriétés et caractérisation des revêtements
16 novembre 2016 – IUT, Saint-Denis *
9h00 : Accueil des participants
9h15 (40 min) : Introduction to magnetron sputter deposition of thin films
Pr. Diederik Depla, Université de Gand, Belgique. Invité
9h55 (20 min) : Dépôt d'alliages de nitrures quaternaires par une méthode de dépôts
combinatoire
Jean-Baptiste Chemin, LIST, Luxembourg
10h15 (25 min) : Simulation de la croissance des revêtements par la méthode de Monte-Carlo
cinétique
Dr. Cédric Mastail, Institut PPRIME, Poitiers
10h40 (25 min) : Simulation des microstructures des revêtements par la méthode de champ de
phases
Pr. Magnus Oden, Linköping University, Suède. Sous réserve
11h05 – 11h20 : Pause café
11h20 (25 min) : Modélisation par champ de phase des transformations de phase à l'état solide
Dr. Benoît Appolaire, ONERA, Chatillon
11h45 (25 min) : Origine et évolution des contraintes lors de la croissance de films minces
Pr. Grégory. Abadias, Institut PPRIME, Poitiers
12h10 – 13h30 : Déjeuner
13h30 : Exemples d’applications industrielles
13h30 (20 min) : Industrial scale coating development by cathodic arc deposition
Dr. Mats Johansson-Jõesaar, SECO TOOLS AB, Suède. Invité
13h50 (20 min) : Thermodynamic of Fe-Zn reaction in hot dip galvanizing
Jean-Michel Mataigne, ARCELORMITTAL, France
14h10 (25 min) : Thin Films for Ophthalmics: optical and mechanical performances
Dr. Delphine Poinot, ESSILOR (Centre de recherche ESSILOR, Créteil)
14h35 (20 min) : Mécanismes d'endommagement d'empilements optiques de faible adhésion
sous contact glissant
Aymar Quarré de Boiry, Saint Gobain (Saint Gobain Recherche, Aubervilliers)
14h55 – 15h20 : Pause café
JOURNÉE THÉMATIQUE SUR LES TRAITEMENTS DE SURFACE
15h20 (35 min) : Adhésion des revêtements sur un substrat : modélisation et calcul numérique
pour une approche quantitative de l’adhésion
Dr. Guillaume Parry, SIMAP, Grenoble. Invité
15h55 (25 min) : Apport de la simulation des propriétés élastiques et stabilité thermique : DFT
et homogénéisation
Ferenc Tasnadi, Linköping University, Suède. Sous réserve
16h20 (25 min) : Méthodes de caractérisation des films minces métalliques
Pr. Marie-Laurence Giorgi, CentraleSupélec, Châtenay-Malabry
16h45 (25 min) : Méthodes expérimentales pour les propriétés mécaniques de films minces : la
diffusion Brillouin et l’acoustique picoseconde
Pr. P. Djemia, LSPM-CNRS, université Paris 13, Villetaneuse
17h10 – 17h30 : Clôture de la journée
JOURNÉE THÉMATIQUE SUR LES TRAITEMENTS DE SURFACE
* Lieu :
Amphithéâtre RDC de l’IUT de Saint-Denis
Site Halle Monjoie
3-5, rue de la Croix Faron
93210 La Plaine Saint-Denis
Accès en transport en commun :
RER ligne B : gare de la Plaine Stade de France puis marche de 5 min (voir carte)
RATP Métro ligne 12 : station : Front Populaire puis marche de 5 min
RER ligne D : gare du Stade de France Saint-Denis
RATP Métro ligne 13 : station : Saint-Denis Porte de Paris, puis bus N°153
RATP Autobus :
Lignes 153, arrêt : La Montjoie
Ligne 139-239, arrêt : Métallurgie & La Montjoie
Ligne 302 : arrêt : Encyclopédie-Métallurgie
Accès en voiture
Autoroute A1 depuis la Porte de la Chapelle, sortie N°2, Stade de France
Depuis le Nord vers Paris, sortie Saint-Denis Porte de Paris
JOURNÉE THÉMATIQUE SUR LES TRAITEMENTS DE SURFACE
Traitements de surface
Élaboration, propriétés et caractérisation des revêtements
Programme
Introduction to magnetron sputter deposition of thin films
Pr. Diederik Depla
Université de Gand, Belgique
Abstract: Magnetron sputter deposition takes a prominent position among the physical vapour
deposition techniques. The conceptual and technical easiness of the technique is perhaps the
main reason for this success. It is still no more than a deposition technique based on a
magnetically enhanced glow discharge. The good control of the film stoichiometry, and the
scalability of the technique are two other key points which explain the usage in laboratory and
industrial plants. Behind this apparent simplicity a complex interplay between different physical
and chemical processes is hidden, making the fundamental research on magnetron sputtering
even now a fascinating topic.
Brief CV: Prof. Dr. D. Depla has received his Master Degree in
Chemistry in 1991 at Ghent University (Belgium). In 1996 he promoted
with a PhD thesis in Solid State Chemistry on spray drying of
precursors for superconductors. After a short period as senior scientist
in the Department of Solid State Sciences, he became in 1999
Professor at the same department. His research focuses on the
fundamental aspects of reactive magnetron sputter deposition. He has
shown the importance of ion implantation on this process, and
explained the discharge voltage behavior during reactive sputter
deposition. In this way, his continuous research in this area resulted in
several publications. He is now head of the research group DRAFT
(Dedicated Research on Advanced Films and Targets). More
www.draft.ugent.be
information
can
be
found
on
<http://www.draft.ugent.be>
JOURNÉE THÉMATIQUE SUR LES TRAITEMENTS DE SURFACE
Dépôt d'alliages de nitrures quaternaires par une méthode de dépôts combinatoire
Jean-Baptiste Chemin
Luxembourg Institute of sciences and technology (LIST), Luxembourg
Résumé : Les dépôts de nitrure de titane puis les alliages de nitrure de titane et aluminium ont
grandement permis d’améliorer les performances des outils de coupe en leur offrant de bonne
propriétés mécaniques et une bonne résistance à l’oxydation en température. Un système
quaternaire par l’ajout d’un élément peut permettre d’augmenter encore ces propriétés. La codéposition de ces alliages quaternaires par pulvérisation magnétron réactive permet d’obtenir
rapidement sur un même substrat une grande variété de composition. L’étude présentée ici
avec le système (Ti,Zr,Al)N montre les différentes microstructures et compositions obtenues
avec seulement quelques dépôts résultant en une grande variété de propriétés mécaniques et
de résistances à la température.
CV court : Diplomé de l’ENSIL de Limoges, j’ai d’abord travaillé au
laboratoire SPCTS de Limoges à la mise au point de dépôt dur nanocomposite à base de nitrure quaternaire pour l’industrie des outils de
coupe. J’ai ensuite travaillé au CITRA à limoges sur l’industrialisation
de dépôts base carbone sur des prothèses orthopédiques. Depuis
2010, je travaille comme ingénieur R&D au centre de recherche
publique Lippmann qui est devenue le Luxembourg Institute of
Science and Technology en 2015. Mon domaine d’expertise va de la
mise au point de procédé et équipement de dépôts assistés par la
technologie plasma à la pression atmosphérique ou sous vide à la
caractérisation des couches minces ainsi obtenues.
JOURNÉE THÉMATIQUE SUR LES TRAITEMENTS DE SURFACE
Modélisation par champ de phase des transformations de phase à l'état solide
Dr. Benoît Appolaire
ONERA, Chatillon, France
Résumé : Après une brève introduction sur la méthode de champ de phase, j'illustrerai ses
potentialités avec quelques exemples de simulation d'évolution microstructurale accompagnant
les changements de phase dans des alliages métalliques, notamment dans les superalliages
base nickel et les alliages de titane. Je montrerai en particulier pourquoi les couplages avec la
mécanique (élasticité et plasticité) sont indispensables pour comprendre la formation et le
vieillissement des microstructures. Je conclurai avec quelques perspectives et ouvertures sur
d'autres domaines, que la puissance de la méthode permet d'aborder.
CV court : Chercheur au Laboratoire d'Étude des
Microstructures, unité mixte CNRS / ONERA (Châtillon).
Travaille sur les transformations de phase depuis une
vingtaine d'années et développe des méthodes de
simulation à l'échelle mésoscopique (dont le champ de
phase). Également spécialiste des alliages de titane. D'une
manière générale, s'intéresse à tous les problèmes de
structuration spatiale (pattern) dans les matériaux.
JOURNÉE THÉMATIQUE SUR LES TRAITEMENTS DE SURFACE
Origine et évolution des contraintes lors de la croissance de films minces
Pr. Gregory Abadias
Institut Pprime, CNRS-Université de Poitiers-ENSMA, France
Résumé : La compréhension de l’origine des contraintes intrinsèques à la croissance de films
minces polycristallins est primordiale afin de pouvoir agir et contrôler in fine les propriétés
visées. À partir de la mesure in situ de la variation de courbure du substrat sur lequel le film est
déposé, un suivi en temps réel du développement de contrainte en cours de croissance est
possible, avec une sensibilité de l’ordre de la monocouche atomique. Dans le cas de la
croissance Volmer-Weber (métal sur isolant), les contraintes évoluent de manière complexe
(compression-tension-compression) et sont corrélées aux différents stades de formation du
film : nucléation, coalescence et formation d’une couche continue, avec une évolution réversible
à l’arrêt du flux. L’influence de la microstructure (taille de grains, texture, porosité…) sur le
développement de gradient de contrainte dans des revêtements durs (ex. TiN) sera également
discutée, en s’appuyant sur des caractérisations par diffraction des rayons X résolues en
profondeur.
CV court : Professeur à l’Université de Poitiers / Département de
Physique. Rattaché à l’Institut Pprime, UPR CNRS 3346 /
Département Physique et Mécanique des Matériaux / Équipe
Propriétés Physiques des Nanostructures
Axes de recherche :
Croissance, Interfaces, Métastabilité et Nanostructures
Développement / relaxation des contraintes lors de la croissance de
films minces
Revêtements protecteurs à base de nitrures métalliques
JOURNÉE THÉMATIQUE SUR LES TRAITEMENTS DE SURFACE
Industrial scale coating development by cathodic arc deposition
Dr. Mats Johansson-Jõesaar
Seco Tools AB, Sweden
Abstract: Cathodic arc deposition and its varieties are maybe the most frequently used
deposition technique in industry, especially within the tooling industry. This stems most likely
from its robustness and high deposition rates. However, the detailed understanding of the arc
technique and its limitations is still lacking. To overcome this, combined efforts over the full
R&D activity from fundamental understanding to field testing will be required also to include cooperations over the borders. Here, a few examples and the learnings therefrom in the field of
hard and wear resistant nitrides, will be discussed - a combined effort between academia and
industry.
Brief CV : Mats Johansson-Jöesaar received in 1992 an MSc. in
Applied Physics and Technology at Linköping University (Sweden). In
1998 he obtained a doctorate in materials science, especially thin film
physics at the same university. Since then he has focused his research
on coatings, hard and wear resistant coatings in general and functional
nitrides in particular, with the strive to understand and correlate the
coating micro structure, its physical properties and functional behavior
in various applications. This work has been conducted in different work
roles as, e.g., research scientist and project manager at the university
as well as in the private sector but also as CTO and CEO in startup
businesses. Mats research has resulted in a range of publications as
well as a number of patents in the field of materials research. He
currently holds a position as R&D Expert – PVD at Seco Tools and part
of the business area Sandvik Machining Solution within the Sandvik
group.
JOURNÉE THÉMATIQUE SUR LES TRAITEMENTS DE SURFACE
Thermodynamic of Fe-Zn reaction in hot dip galvanizing
Jean-Michel Mataigne
ARCELORMITTAL, France
Abstract: In hot dip galvanizing, where a steel strip is continuously immersed into liquid zinc
alloyed with a few amount of Al, the Fe-Zn reaction is inhibited and only a Fe-Al reaction is
observed. This inhibition situation is only temporary, as Fe-Zn compounds do nucleate if the
immersion time gets long enough. For many years, that phenomenon was not properly
understood and thought as governed by the succession of metastable equilibria. This analysis
shows that most all of the particular features of the Fe-Al-Zn reaction can be interpreted making
only use of stable equilibria between interfaces so that diffusion paths of the reaction can be
drawn in the ternary Al-Fe-Zn phase diagram.
Brief CV: Jean-Michel Mataigne got an engineering degree in Applied
Physics from UCL Louvain-la-Neuve (Belgium) in 1985. He started his
career at CRM, in Liège. He conducted research on gas-metal reactions
occurring during batch and continuous annealing of steel sheets. He
joined the Research Centre of Sollac in Montataire (France) in 1992 to
take the lead of the metallic coating team. He contributed to the
development of Extragal®, Ultragal® and some other coatings for his
company. Since 2002, he is senior researcher in the Automotive
Products Centre and acts as a scientific expert in metallic coatings for
ArcelorMittal.
JOURNÉE THÉMATIQUE SUR LES TRAITEMENTS DE SURFACE
Thin Films for Ophthalmics: optical and mechanical performances
Delphine Poinot, R&D Engineer
Essilor (Créteil, France).
Abstract: Essilor designs, manufactures and markets a large range of ophthalmic lenses. The
first requirement of ophthalmic lenses is to fulfill optical specifications in the field of visual
correction, prevention and protection of the eye. Optical correction is achieved by the substrate,
which surfaces are optically designed. But an ophthalmic lens is a more complex object. To
improve further optical performances and comfort for the wearer, an ophthalmic lens also
encompasses various coatings such as anti-reflective, anti-scratch, anti-shock, anti-smudge,
anti-dust, water-repellent, coatings. As it will be introduced during this presentation, these
coatings exhibit various features with thicknesses ranging from sub-nanometer to millimeter
scale and mechanical properties varying from hard and brittle to elasto-plastic behavior.
Furthermore, this complex stack of coatings is designed by taking into account the various
physico-chemical solicitations that an ophthalmic lens meets in real life. As Essilor’s products
keep evolving, it is needed to continuously develop advanced characterizations. Examples of
mechanical characterizations of these various coatings will be presented. Our strategy to
address the simulation and prediction of their behavior in real life will also be discussed.
Brief CV : After a Master in Electrochemistry and Material Science (INP
Grenoble) and a PhD in the field of lithium microbatteries (CNRS-CEA
LITEN), I joined Essilor in 2011. At the Center for Innovation and
Technologies (Créteil), I am involved in a team which develops physicochemical characterizations to support the design and the development
of new concepts. I also focus on the links between structure, properties
and process parameters of our thin films.
JOURNÉE THÉMATIQUE SUR LES TRAITEMENTS DE SURFACE
Mécanismes d'endommagement d'empilements optiques de faible adhésion sous contact
glissant
Aymar Quarré de Boiry, Doctorant
Saint-Gobain Recherche (France)
Résumé : Pour modifier les propriétés de surface du verre (optiques, thermiques,
électrochimiques…), le dépôt d'empilements de couches minces par pulvérisation cathodique
magnétron est une technique de plus en plus répandue. Par exemple, les vitrages bas
émissifs, produits entre autre par Saint-Gobain depuis de nombreuses années, permettent de
limiter les déperditions de chaleur. Un élément essentiel dans des empilements de ce type est
une couche d’argent de quelques nanomètres d’épaisseur (entre 8 et 15 nm) qui permet de
réfléchir le rayonnement infrarouge. Cependant cette couche est peu adhésive et donc très
sensible aux endommagements par contact (rayures) qui peuvent apparaitre lors des phases
de manutention ou même de lavage du produit. L'apparition de ces rayures est liée à la
sollicitation engendrée par le contact (frottement) et influencée par les propriétés mécaniques
de l'empilement (module, dureté, adhésion …) [1, 2]. Cependant, une analyse quantitative des
endommagements est très délicate du fait de la complexité et de la très faible épaisseur de ces
empilements (quelques dizaines de nanomètres).
L’observation ex-situ des rayures réalisées sur ce type d’empilements complexes souvent ne
permet pas d’identifier les mécanismes d’endommagement. Nous effectuons donc des
expériences de rayure in-situ avec des observations de microscopie optique du contact glissant
à travers le substrat (figure 1). Cela a permis de mettre en évidence les différentes étapes de
formation des rayures et notamment d’identifier une phase d’initiation avec création de fissures
« verticales » dans la partie supérieure de l’empilement suivie par une phase de propagation
avec délamination entre l’argent et les couches environnantes.
L’utilisation de l’observation in situ a permis de montrer que la géométrie du contact,
initialement correspondant à un contact Hertzien sphère/plan est fortement perturbée par
l’accumulation de débris dans le contact glissant et que la nature et les propriétés des débris
impacte fortement l’étape de propagation des rayures.
Bille (acier)
Force (2,5 N)
Échantillon
Caméra
(a)
Glissement
(b)
Figure 1 : (a) Tribomètre à vision in-situ (b) rayure sur un empilement ZnO/Ag/ZnO/Si3N4
[1] X. Geng, Z. Zhang, E. Barthel, D. Dalmas. Mechanical behavior of stiff coating on glass
under sliding contact, Wear 269 (2010) 351–461
JOURNÉE THÉMATIQUE SUR LES TRAITEMENTS DE SURFACE
[2] X. Geng, Z. Zhang, E. Barthel, D. Dalmas, Mechanical stability under sliding contact of thin
silver film embedded in brittle multilayer, Wear 276– 277 (2012) 111– 120
CV court : Doctorant CIFRE au sein du service TMM de Saint-Gobain
Recherche, sur la stabilité mécanique des empilements de couche
mince.
JOURNÉE THÉMATIQUE SUR LES TRAITEMENTS DE SURFACE
Adhésion des revêtements sur un substrat : modélisation et calcul numérique pour une
approche quantitative de l’adhésion
Dr. Guillaume Parry
SIMaP, Université Grenoble Alpes, France
Résumé : Les films minces et les revêtements sont largement utilisés dans de nombreuses
applications de haute technologie comme les vitrages à basse émissivité, les barrières
thermiques pour les applications aéronautiques et les dispositifs micro-électroniques. Dans de
tels systèmes, il faut pouvoir garantir l’intégrité des interfaces pour assurer la durabilité des
produits. Il s’agit là d’un réel défi scientifique et industriel, dans la mesure où les mécanismes
menant au délaminage des couches minces résultent en général d’interactions subtiles entre
l’adhésion, la géométrie, les contraintes internes et les propriétés des matériaux constitutifs. La
présentation abordera ces aspects, en mettant en évidence comment tirer des données
quantitatives du couplage entre simulations numériques et expériences. On verra en particulier
comment des développements récents dans la modélisation et le calcul numérique du
« cloquage » (flambage + délaminage) des films minces soumis à de forts niveaux de
compression ont permis de formuler de nouveaux critères pour éviter le phénomène mais ont
aussi ouvert la voie à de nouvelles méthodes de mesure de l’adhésion dans des couches très
fines (de l’ordre de quelques dizaines à quelques centaines de nanomètres).
CV court : Maître de Conférences à la prépa des INP ainsi qu’à l'école
Phelma de Grenoble INP. Chercheur au laboratoire SIMaP (UGACNRS), équipe Physique du Métal : modélisation et calcul numérique
pour une approche quantitative et prédictive dans l'étude des matériaux
hétérogènes (relation entre mécanismes physiques de la déformation et
comportement macroscopique).
Axes de recherche :
Mécanique des couches minces.
Méthodologies d'interactions cohésives appliquées à la mécanique
des interfaces.
Approche locale de la rupture (modélisation micro-mécanique).
Optimisation de forme dans les matériaux hétérogènes à interfaces
diffuses.
JOURNÉE THÉMATIQUE SUR LES TRAITEMENTS DE SURFACE
Méthodes de caractérisation des films minces métalliques
Pr. Marie-Laurence Giorgi
CentraleSupélec, Université Paris-Saclay, France
Résumé : Quelques méthodes de caractérisation des films minces seront passées en revue, à
partir de l’exemple des revêtements de zinc. Les aciers peuvent être couverts d’un revêtement
de zinc pour les protéger de la corrosion par immersion dans un bain métallique fondu. Ces
revêtements galvanisés, lorsqu’ils sont élaborés en continu, sont constitués d’une fine couche
d’alliages intermétalliques (une centaine de nm d’épaisseur) et de zinc ou d’une succession de
phases fer – zinc (une dizaine de µm d’épaisseur). Pour les étudier, ces revêtements sont
caractérisés par des méthodes qui permettent de mieux connaître :
- leur microstructure (microscopies optique, à balayage et en transmission) ;
- leur topographie (profilomètrie optique, microscopie à force atomique) ;
- leur composition chimique (spectroscopie à dispersion d’énergie, spectroscopie à décharge
luminescence, spectroscopie de masse à ionisation secondaire)
- leur nature chimique (diffraction des rayons X, diffraction des électrons, spectroscopie de
photoélectron X)
CV court : Professeur à CentraleSupélec. Chercheur au laboratoire de
Génie des Procédés et Matériaux / Équipe Matériaux / Biomatériaux
Axes de recherche :
Mouillage par les métaux liquides
Oxydation sélective des aciers
Réactions métal solide / métal liquide
JOURNÉE THÉMATIQUE SUR LES TRAITEMENTS DE SURFACE
Méthodes expérimentales pour les propriétés mécaniques de films minces : la diffusion
Brillouin et l’acoustique picoseconde
Pr. Ph. Djemia,
LSPM-CNRS, Université Paris 13 Sorbonne Paris Cité, France
Résumé : L’étude du comportement mécanique de films minces est indispensable pour la
compréhension des propriétés structurales et physiques des films minces utilisés dans de
nombreux dispositifs (en microélectronique, comme revêtements de protection contre l’usure,
la corrosion, la diffusion, …, en optique, capteurs, …), avec parfois des dimensions qui sont
réduites à l’échelle nanométrique. En particulier, leurs propriétés élastiques peuvent être
différentes de leurs homologues massifs, ou parfois simplement inconnues pour de nouveaux
matériaux. Elles sont aussi un ingrédient important dans de nombreuses modélisations du
comportement mécanique (fracture, tribologie, plasticité, …). La caractérisation de ces
propriétés élastiques n’est pas triviale pour les couches minces et a conduit au développement
de plusieurs techniques et essais spécifiques. La diffusion Brillouin de la lumière et l’acoustique
picoseconde sont deux techniques non-destructives particulièrement bien adaptées et
complémentaires. Dans cette présentation, leurs principes seront rappelés et plusieurs
exemples d’études conjointes de films minces seront présentés. Les travaux présentés ont été
faits en collaboration avec l’équipe acoustique de l’INSP (Pr. L. Belliard et Dr. B. Perrin) qui ont
développé l’acoustique picoseconde en France, au début de 1990.
CV court : Professeur à l’Université Paris 13 / Département Science et
Génie des Matériaux de l’IUT de Saint Denis. Chercheur au laboratoire
LSPM-CNRS / Équipe FINANO : Élasto-plasticité de films minces et
ondes acoustiques de surface
Axes de recherche :
Ondes de surface et diffusion Brillouin dans les films minces
Relations entre propriétés élastiques et plastiques dans les films
minces et stabilité structurale
Alliages métalliques, oxydes et nitrures métalliques