Propriétés microstructurales des dépôts de Cuivre

IV.2.3.1 Comparaison des microstructures des dépôts en APS et VLPPS

Avant d’analyser plus en avant les propriétés des dépôts projetés sous très basse pression et de manière à mettre en avant les différences de structure de dépôt de cette projection par rapport à une projection à l’atmosphère, les morphologies de dépôts obtenus par chacune des techniques sont données sur la Figure IV.8 .

Figure IV.8 : Morphologies de dépôts obtenus par projection a) APS et b) VLPPS Le dépôt réalisé par projection APS a été obtenu avec les paramètres opératoires de 580A pour l’intensité de courant, de 55 L/min pour le débit d’argon, de 8 L/min pour le débit d’hydrogène et la distance de projection de 11 cm par rapport à la sortie de torche. Avec ces paramètres, la puissance effective de la torche est de 19.7 kW.

Pour le dépôt réalisé sous très basse pression (1 mbar), les paramètres opératoires correspondent à 600 A pour l’intensité de courant, 40 L/min pour le débit d’argon, 8 L/min pour le débit d’hydrogène et la distance de projection de 40 cm par rapport à la sortie de torche.

On constate une structure lamellaire qui s’identifie clairement sur le dépôt APS présentant aussi des microporosités et des oxydations. En revanche, le dépôt VLPPS est dense, sans oxydation et d’épaisseur faible.

IV.2.3.2 Effet de la distance de projection

Les dépôts ont été réalisés successivement avec les conditions opératoires résumées dans le Tableau IV.1 pour les différentes positions de substrat. La Figure IV.9 donne les micrographies de ces dépôts.

a) D=60cm b) D=70cm

e) D=100cm f) D=110cm

Figure IV.9 : Microstructure du dépôt de cuivre après attaque métallographique

Dans un premier temps et quelle que soit la distance de projection, on peut noter que l’épaisseur de dépôt ne dépasse pas 50 µm pour un temps de projection de l’ordre de 10 minutes. Cette épaisseur diminue légèrement (environ 50 à environ 45 µm) avec l’augmentation de la distance (de 60 à 110 cm) et les dépôts laissent apparaître des inhomogénéités d’épaisseurs plus importantes.

Sous très basse pression, la température d’un jet plasma diminue avec la distance de projection, mais cette tendance à la diminution est lente et conduit finalement à des taux de dépôt quasiment similaires pour les distances supérieures à 60 cm de la sortie de torche.

Dans un deuxième temps, les particules infondues présentes dans les différents dépôts ont pu être mises en évidence après attaque métallographique au FeCl3. La réaction chimique est la suivante :

Cu+2FeCl3=2FeCl2+CuCl2 (eq.IV. 3)

L’observation de ces images montre aussi que les particules ne changent pas en taille durant leur passage dans le jet plasma.

Finalement les dépôts ont été cassés manuellement pour observer la section de rupture dans le dépôt. Il apparaît alors que le faciès de rupture présente une déformation plastique typique, que des micro-porosités sont visiblement dans tous les dépôts, quelle que soit la distance de positionnement du substrat et que des particules infondues sont observables. La Figure IV.10 donne ce faciès pour le dépôt obtenu sur substrat inox à la distance de 100 cm.

Figure IV.10: Image MEB de du faciès de rupture du dépôt de cuivre

La Figure IV.11 montre les particules dans le dépôt réalisé sur substrat verre observées par analyse d’images MEB. Pour la majorité de ces particules, leurs dimensions varient entre 5 et 20 µm et elles sont de forme sphérique.

Figure IV.11: Image MEB d’un revêtement sur substrat verre placé au dessus du substrat d’acier inoxydable

Sur la Figure IV.12 qui donne le faciès de rupture du dépôt obtenu avec les conditions de projection de la Figure IV.10, nous pouvons remarquer que les particules sont bien fondues.

Figure IV.12 : Image MEB de la rupture du dépôt du cuivre sur un substrat du verre En comparant ces images avec celles obtenues par D. SOKOLOV [2] qui a travaillé sous pression beaucoup plus élevée de 100 mbar, il a été trouvé que le revêtement présentait pour cette pression une structure colonnaire et que la taille des grains était de l’ordre du micromètre, Figure IV.13.

Figure IV.13 : Images MEB des phases condensées obtenues sous une pression de 100 mbar

La conclusion avancée était que la nucléation et la croissance pouvaient avoir lieu par apport d’énergie suffisant en provenance du plasma. Il semble que cela ne soit pas le cas avec une pression de 1 mbar pour laquelle la structure colonnaire n’est pas observable.

Accidentellement, des particules de cuivre sont venues se déposées sur la face arrière du substrat en verre placé à la distance de 100 cm. Cette couche de cuivre est observable sur la Figure IV.14.

Figure IV.14 : Image MEB du dépôt obtenu en face arrière du substrat verre

Cette étape initiale dans le processus d’élaboration du revêtement peut être associée au phénomène de germination. Le facteur important qui joue sur la croissance du dépôt est l’énergie arrivant sur le substrat. Avec des diminutions significatives des propriétés du jet plasma sous la pression de 1 mbar comparées à celles de jets sous pressions plus importantes, il semble malgré tout que le cuivre sous sa forme vapeur reçoive suffisamment d’énergie du plasma pour aboutir à la fabrication d’un dépôt. IV.2.3.3 Effet du débit d’hydrogène et de la distance de projection

Avec les conditions opératoires recensées dans le Tableau IV.2, la Figure IV.15 a) présente le revêtement obtenu pour successivement les trois couples de paramètres (40 cm / 8 L/min H2 ; 46 cm / 8 L/min H2 ; 40 cm / 0 L/min H2), la Figure IV.15 b) après attaque chimique de ce même dépôt.

Il apparaît deux lignes de démarcation dans le dépôt qui correspondent au changement des conditions opératoires. L’augmentation du débit d’hydrogène s’accompagne d’une augmentation des tailles de particules [16].

Figure IV.15 : Photographie obtenue par MEB d’un dépôt réalisé avec trois couples de paramètres (40 cm/ 8 L/min H2 ; 46 cm/ 8 L/min H2 ; 40 cm/ 0 L/min H2)

a)avant attaque b) après attaque

Un zoom de la partie supérieure de ce dépôt après attaque chimique est présenté sur la Figure IV.16. Il apparaît près de la surface quelques petites particules formées à partir des vapeurs de cuivre.

Figure IV.16: Observation MEB du dépôt près de la surface après attaque chimique Une observation plus précise des microstructures des dépôts projetés a été réalisée grâce à un microscope optique et a permis d’observer clairement la taille des grains dans ce dépôt, Figure IV.17.

D=40 cm, Argon:40 L/min, Hydrogène:0 L/min

D=46 cm, Argon:40 L/min, Hydrogène:8 L/min

Figure IV. 17: Microstructure du dépôt de cuivre après attaque métallographique a) Partie supérieure (40 cm / 0 L/min H2); b) Partie médiane (46 cm / 8 L/min H2);

c) Partie la plus proche du substrat (40 cm / 8 L/min H2)

Lorsque le débit de gaz d'hydrogène augmente de 0 à 8 L/min, il apparaît que les grains dans les couches formées deviennent plus gros. La formation de plus grosses particules peut être provoquée soit par la présence de plus nombreuses particules infondues dues à des vitesses de jet plus rapides soit par une augmentation de la température du substrat qui engendre une croissance des grains plus forte.

Les deux effets opposés de l’augmentation du débit d’hydrogène sont à souligner : d’une part, une augmentation des propriétés du jet en vitesse et température qui entraîne une augmentation des caractéristiques en vitesse et température des particules et donc un meilleur accrochage sur le substrat et d’autre part, une diminution du temps de résidence de ces particules dans le jet plasma qui peut amener à un taux de particules infondues dans le dépôt plus important aussi.

IV.2.3.4 Conclusion sur l’incidence des paramètres opératoires

Bien que les paramètres opératoires les plus puissants aient été testés et les distances de projection diminuées au maximum pour la projection des particules de cuivre, les dépôts présentent encore un taux de particules infondues trop important à la pression de 1 mbar. Différentes solutions sont envisageables :

- la diminution de la taille des poudres qui nécessite de travailler sur le système d’injection,

- l’augmentation de la puissance de la torche qui passe par la définition d’une nouvelle configuration d’électrodes,

- l’adaptation du taux d’alimentation qui permette une fusion compète des poudres.

IV.2.4 Etude de la dureté Vickers des dépôts de cuivre formés à partir de poudre