Dispositifs expérimentaux

La mise en œuvre d’un procédé de traitement de surface par plasma nécessite un dispositif constitué des éléments suivants : une enceinte à vide, un générateur électrique haute tension, un système de distribution de gaz et de contrôle de pression ainsi qu’un système de mesure et de régulation de la température (figure 55). Pour créer un plasma avec ce type d’installation plusieurs solutions sont envisageables.

II.3. Nitruration assistée plasma

Figure 55 : Schéma de principe d’enceintes de nitruration assistée plasma : (A) réacteur de nitruration par décharge diode avec la forme des impulsions délivrées par un générateur pulsé,

(B) réacteur de nitruration par MDECR.

La première solution à notre disposition et la plus simple à mettre en œuvre ; c’est un dispositif de nitruration de type diode schématisé sur la figure 55-A. Un potentiel électrique est appliqué entre les pièces à traiter qui constituent la cathode du système électrique et la paroi métallique de l’enceinte du réacteur qui sert d’anode. La tension d’alimentation et la forme des pulses sont réglables par l’utilisateur. Il est ainsi possible de travailler entre - 350 et - 1000 V ce qui correspond à une variation de température de 300°C à 700°C environ et à des fréquences comprises entre 50 Hz et 1200 Hz avec un rapport cyclique compris entre 0,1 et 0,8. La nature, la pression et la composition des gaz introduits dans l’enceinte sont aussi contrôlées par l’utilisateur. La figure 56 montre une photo d’un plasma de type diode sur une cathode porte-échantillon.

Un autre procédé est utilisé pour réaliser une nitruration assistée plasma : il s’agit du dispositif MDECR de la figure 55-B. Nous retrouvons toujours les éléments nécessaires au dispositif de nitruration : enceinte à vide, un système de distribution de gaz et de contrôle de pression ainsi qu’un système de mesure et de régulation de la température.

Le système MDECR est un réacteur disposant de sources plasmas multi-dipolaires dans la configuration Matrice à Résonance Cyclotronique Electronique Distribuée (MDECR en anglais). La figure 55-B montre l’implantation sur notre réacteur de cette source de plasma développée par Pelletier et ses collaborateurs [64-66]. Dans notre configuration, huit antennes ou sources de plasma (chacune constituée en fait d’une antenne et d’un aimant permanent) sont disposées en un réseau plan. La puissance micro-ondes est transportée directement par une ligne coaxiale jusqu'à la région de résonance cyclotronique électronique. Comme la puissance micro-ondes est totalement transférée au plasma dans cette région, il y a très peu d’interférences entre les sources élémentaires de plasma. Chaque antenne peut être accordée (pour minimiser la puissance de réflexion) sans que cet accord ne modifie significativement celui des antennes voisines.

Figure 56 : Exemple de plasma obtenu pendant une expérience de nitruration assistée plasma : décharge de type « diode » sur les pièces à nitrurer.

Les principales différences entre les deux systèmes sont les suivantes :

 Le système à Matrice à Résonance Cyclotronique Électronique Distribuée (MDECR en anglais) permet de créer un plasma transféré au niveau des antennes (figure 57) : il n’est plus généré au niveau des échantillons à traiter.

 Les nitrurations sont réalisées sous vide secondaire qui permet d’éviter les contaminations.

 Le chauffage des échantillons est réalisé par l’intermédiaire d’un porte substrat-chauffant ce qui permet d’assurer une indépendance entre plasma et chauffage.

Figure 57 : Exemple de plasma MDECR obtenu pendant une expérience de nitruration assistée plasma.

Les avantages d’un tel dispositif sont nombreux : absence d’effet de cathode creuse, pas de dégradation de surface par bombardement ionique, découplage des conditions de réalisation du plasma et du traitement thermochimique…

En général, un traitement de nitruration est composé de deux étapes : une phase de décapage et une phase de nitruration. La phase de décapage permet de dépassiver l’acier à traiter en éliminant la couche d’oxyde par pulvérisation. Cette étape, qui est conduite dans un mélange argon-hydrogène, sert également à monter en température des échantillons pour atteindre la température de traitement. La température de traitement dans notre cas est doit être inférieure à 450°C pour éviter la précipitation de nitrures (Cr, AlN, NbN…). Ensuite, l’atmosphère de décapage est remplacée par une atmosphère nitrurante (mélange d’azote-hydrogène) et c’est ainsi que débute de la phase de nitruration.

Lorsque les échantillons sont nitrurés dans le réacteur MDECR, le protocole de l’étape de décapage est le suivant :

 Mélange de gaz Ar/H2 : 60/20  P = ~1,84 10^-2 mbar  Puissance 600W P= ~1,95 10-2

mbar  Polarisation des échantillons à Vdc=-150V  Durée : 30 min

Cette étape est indispensable dans le réacteur MDECR. Pendant la phase de nitruration, les échantillons sont au potentiel flottant. Ainsi, le phénomène de pulvérisation est quasiment

II.4. Méthodes d’analyse des échantillons inexistant. Pendant la phase de nitruration la puissance micro-onde des antennes reste à 600 W.

II.4 Méthodes d’analyse des échantillons

Après toutes manipulations ou traitement des échantillons, il est essentiel de caractériser le résultat obtenu. Nous passons en revue les différentes techniques d’analyse utilisées pour caractériser les échantillons à l’issue des différents traitements de grenaillage et de nitruration.

II.4.1 Coupes micrographiques transversales optiques et

électroniques

Pour analyser les transformations en sous-couche après le grenaillage et mesurer l’épaisseur des couches de diffusion réalisées lors des traitements thermochimiques, il est nécessaire de faire une coupe sens transverse de l’échantillon traité.

Les échantillons sont coupés à la micro tronçonneuse puis enrobés à chaud avec une résine phénolique dure. Ensuite, ils sont polis suivant la gamme décrite précédemment (partie II.1.2 page 49 du chapitre II). Néanmoins, un polissage final à la pâte diamant 1 µm est réalisé en plus pour éliminer les rayures introduites par les autres polissages. Cette gamme de polissage est appelée polissage miroir par la suite. Après l’étape de polissage, une attaque de l’échantillon avec un réactif est nécessaire. Ceci permet de révéler la microstructure et/ou la couche de diffusion de la pièce traitée (grains, joints de grains, maclage, bandes de glissement, sous joint de grain…).

Pour réaliser cette étape et en fonction de ce que nous recherchons à mettre en valeur, nous avons utilisé les réactifs suivants pour les aciers inoxydables austénitiques :

 le « marble’s reagent » : 50 ml d’acide chlorhydrique (HCl), 25 ml de sulfate de cuivre (CuSO4), 50 ml d’eau distillée (H2O). Le temps d’attaque est de quelques secondes.

 le « Curran » : 10g de chlorure de fer III (FeCl3), 30 ml d’acide chlorhydrique (HCl), 120 ml d’eau distillée (H2O). Le temps d’attaque est d’environ 2 min.  acide oxalique à 10% dans H2O : l’échantillon est mis en immersion et une

différence de potentiel de 10 V entre lui et une anode est appliquée pendant ~30 s. Et les réactifs suivants pour les alliages à base nickel :

 l'eau régale glycérinée ou « glycerigia » : 15 ml de HCl (acide chlorhydrique), 10 ml de glycérol, 5 ml de HNO₃ (acide nitrique).

 l’eau régale méthylique : 15 ml de HCl (acide chlorhydrique), 5 ml HNO3 (acide nitrique) et 20 ml d’alcool méthylique.

 acide oxalique à 10% dans H₂O : l’échantillon est mis en immersion et une différence de potentiel de 10 V entre lui et une anode est appliquée pendant ~30 s. Nous avons également utilisé, d’autres techniques qui permettent de mettre en évidence la microstructure des échantillons tels que :

 le polissage mécano-chimique qui utilise une solution de silice colloïdale de 0,03 µm. Ce type de polissage permet de créer un microrelief à la surface des échantillons associés à des vitesses d’abrasion qui diffèrent d’un grain à l’autre. L’état de surface ainsi préparé montre que la rugosité reste limitée à quelques dizaines de nm [67]. Il est possible par cette technique de mettre en évidence les couches nitrurées.

 le bombardement ionique qui permet de bombarder la surface des échantillons après le polissage miroir. La vitesse de pulvérisation différente d’un grain à l’autre permet de créer un microrelief.

Dans la suite du rapport, la technique d’attaque utilisée pour révéler la microstructure apparaît dans la légende des micrographies.