Modification des propriétés de surface de couches DLC obtenues par PECVD/PVD dans le but d'optimiser leur comportement tribologique en milieu lubrifié : application aux moteurs thermiques pour véhicules terrestres

Discipline

Matériaux Céramiques et Traitements de Surface

Classification

Sciences de l'ingénieur

Mots-clés libres

DLC, PECVD, Magnétron, Frottement

Mots-clés

Dépôt chimique en phase vapeur activé par plasma,

Couches minces - Propriétés physico-chimiques,

Automobiles -- Moteurs -- Lubrification,

Tribologie (technologie) - Applications industrielles,

Usure (mécanique),

Spectroscopie Raman

Les films minces de Diamond-Like Carbon sont couramment employés dans les moteurs automobiles. Leur très faible coefficient de frottement et leur haute dureté permettent en effet d’optimiser les performances et la durée de vie des véhicules. Cependant, la plupart des lubrifiants utilisés dans les moteurs sont élaborés pour fonctionner avec des surfaces métalliques. Il est donc envisageable d’améliorer le comportement tribologique de films de DLC en leur conférant un caractère métallique par l’introduction d’éléments dopants en quantité limitée et contrôlée (15 % au maximum) dans la matrice de carbone amorphe. Un réacteur de dépôt industriel muni d’une technologie de dépôt hybride a été utilisé. Celle-ci combine la PECVD pour l’élaboration du DLC hydrogéné à la pulvérisation cathodique magnétron pour le dopage. Quatre éléments ont été introduits à différentes concentrations dans le DLC : aluminium, cuivre, molybdène et niobium. Les propriétés physico-chimiques des dépôts ont été caractérisées par XPS (composition et liaisons chimiques) et spectroscopie Raman (structure). La dureté, le frottement et l’usure à sec et en conditions lubrifiées, ainsi que l’énergie de surface des films ont également été caractérisés. Deux études in situ de tenue des DLC en température ont été conduites par spectroscopie Raman. Par comparaison avec un film de DLC pur, le dopage entraîne une modification de la structure du DLC, et par conséquent une réduction de la dureté des couches. Cependant, excepté dans le cas du cuivre, ceci s’accompagne d’une diminution significative du coefficient de frottement et de l’usure à sec des couches. En revanche, en dépit de ce résultat prometteur, l’impact sur les propriétés tribologiques en milieu lubrifié est plus modéré et fortement lié à la composition du lubrifiant employé. Enfin le transfert industriel du dopage a été étudié et validé dans le cas du dopage à l’aluminium.