CHAPITRE II : MATERIAUX ET TECHNIQUES EXPERIMENTALES
3. Méthodes de caractérisation des revêtements
3.1. Méthode d’analyse de la microstructure
Afin d’étudier les différentes microstructures des revêtements composites élaborés, des observations ont été effectuées en coupe transversale. Les dépôts ont été enrobés avec une résine époxy (« Epofix » de Struers) qui réticule à froid en douze heures. L’enrobage a été réalisé sous vide avec dégazage de la résine au préalable. Puis les échantillons enrobés ont été tronçonnés à la meule avant polissage. Ils ont ensuite été polis « miroir » sur des papiers SiC de grades 1200, 2500, et 4000 puis sur des draps de feutre imbibés de pâte diamantée de grades 3 et 1 µm. Une finition est assurée par un drap de feutre imbibé de silice colloïdale. Entre chaque étape, les échantillons ont été nettoyés par ultrasons dans un bain d’éthanol pendant 1 minute et séchés à l’air sec.
Une attaque chimique de type "Kroll", dont la composition du réactif est précisée en annexe 1, a été utilisée pour révéler des structures particulières de dépôts à base de titane.
3.1.2. Microscopie
3.1.2.1. Microscopie optique
Les échantillons sont observés en lumière directe à l’aide d’un microscope binoculaire Axiovert 405M (ZEISS), couplé à une caméra numérique Nikon DXM 1200. L’épaisseur des dépôts a été évaluée à partir de cet appareil grâce à une règle graduée.
3.1.2.2. Microscopie électronique à balayage
Les observations ont été réalisées à l’aide de deux microscopes électroniques à balayage (MEB) de référence LEO 450 VP et ZEISS DSM 982 (GEMINI). Ce dernier est un microscope à haute résolution et a notamment permis les observations fines des microstructures et des zones de contact après les essais tribométriques. Il est équipé d’un canon à émission de champ, permettant une excellente résolution jusqu’aux basses tensions d’accélération, ce qui permet de pouvoir observer des échantillons non conducteurs sans métallisation.
Les images MEB ont été réalisées en contraste topographique (électrons secondaires) et en contraste chimique (électrons rétro-diffusés).
3.1.2.3. Microscopie à force atomique
Le principe de la microscopie à force atomique (AFM) consiste en la mesure des différentes forces d'interaction (forces de répulsion ionique, forces de Van Der Waals, forces électrostatiques, forces de friction, forces magnétiques,...) entre une pointe idéalement atomique fixée à l'extrémité d'un bras de levier flexible et les atomes de la surface d'un matériau. La déflexion du levier est suivie en positionnant un faisceau laser sur sa face supérieure. Le faisceau est réfléchi sur un miroir puis se dirige vers des photodétecteurs qui enregistrent le signal lumineux. Les déplacements x, y et z s’effectuent grâce à une céramique piézo-électrique (Figure II. 9).
Figure II. 9 : Schéma de principe de l’AFM
Par balayage de la pointe sur la surface, des images morphologiques tridimensionnelles à très hautes résolutions latérale (x, y) et verticale (z) sont obtenues. Il existe différents modes de fonctionnement de l’AFM, notamment le mode « contact » et le mode intermittent, nommé couramment mode « tapping ».
En mode contact, les principales forces en jeu entre la pointe et la surface sont des forces répulsives, à très courte portée (quelques nanomètres maximum). Ces forces de répulsion provoquent la déformation du levier et c’est cette déflexion qui est enregistrée. En balayant la pointe sur la surface à étudier et en maintenant la force d’interaction fixe grâce à une boucle d’asservissement, une image topographique de l’échantillon est réalisée.
En mode tapping, le levier oscille en surface de l'échantillon à une fréquence proche de sa fréquence de résonance et l'amplitude d'oscillation est choisie suffisamment élevée de façon à ce que la pointe traverse la couche de contamination habituellement présente sur toute surface analysée. La pointe ne vient que périodiquement en contact avec l'échantillon et les forces de friction sont ainsi évitées. Les forces d’interaction entre la pointe et la surface vont modifier l’amplitude des oscillations. L’asservissement de la position de la pointe au cours du balayage est piloté, dans ce mode, par les variations d’amplitudes. L'image obtenue représente la topographie de la surface.
Cette technique a été utilisée en mode contact pour repérer les phases constitutives des dépôts à partir d’images MEB, avant des essais de nanoindentation (cf. § 3.3.2). L’imagerie AFM a été réalisée avec un microscope à force atomique « DimensionTM 3100 » (Veeco Metrology Group / Digital Instrument), localisé au Laboratoire d’Etudes des Milieux Nanométriques (LMN) de l’Université d’Evry-Val d’Essonne (cf. § 3.1.2.3, Figure II. 13).
3.1.2.4. Microscopie électronique en transmission
L’utilisation de la microscopie électronique en transmission (MET) sur des lames minces prélevées parallèlement à la surface du dépôt a permis de déterminer la nature des phases nitrurées présentes dans les revêtements obtenus par projection plasma réactive.
Pour la préparation de lames minces, les prélèvements ont été effectués parallèlement à la surface du dépôt puis préparés par amincissement ionique.
Les observations au MET ont été réalisées avec un microscope de type EM 430-T (FEI), à canon à émission de champ, équipé d’un système d’analyse EDX ("Energy Dispersive X- ray"). Une tension de 300keV a été adoptée pour l’imagerie et les analyses. La résolution analytique est proche de 1 nm permettant d’effectuer des analyses très locales.
3.1.3. Microanalyse X
Une microsonde électronique de Castaing ou EPMA (« Electron Probe Micro-Analysis ») SX 50 (CAMECA) a été employée pour obtenir des informations quantitatives précises (composition à 1% près) sur les éléments présents dans les différentes phases constitutives des revêtements composites.
Le principe de cette technique est le traitement du spectre des RX émis par la cible sous l’impact du faisceau électronique incident, en dispersion de longueur d’onde ou WDS (Wavelength Dispersive Spectrometer).
La mesure s’effectue à l’aide de quatre spectromètres verticaux. Pour s’assurer de la précision des mesures, un étalonnage est préalablement effectué avec des échantillons de matériaux de référence. La résolution spatiale est d’environ 1 µm3.
3.1.4. Diffraction des rayons X
La diffraction des rayons X a été mise en œuvre afin d’identifier les différentes phases présentes dans les poudres à projeter et les dépôts élaborés par projection plasma.
L’appareil utilisé est un diffractomètre de type SIEMENS D500. L’échantillon est analysé par réflexion (diffractogramme θ /2θ). Il subit un bombardement de rayons X obtenu à partir d’un tube anticathode de cobalt (λ (Kα)=1,789 Å).