Les revêtements Diamond-like Carbon (DLC) sont connus pour leurs qualités mécaniques et tribologiques exceptionnelles. Les méthodes de dépôt physique en phase vapeur telles que la pulvérisation cathodique, le faisceau ionique, le dépôt laser pulsé et les systèmes à arc cathodique sous vide sont couramment utilisées pour créer ces revêtements.
Mais quelle est la différence entre le revêtement DLC et PVD ? En quoi un revêtement DLC est-il meilleur qu'un revêtement PVD ?
Le PVD, ou dépôt physique en phase vapeur, est une méthode qui consiste à vaporiser une variété de métaux, puis à les superposer sur une surface sous un vide chauffé. Le revêtement DLC est une méthode avancée de revêtement en couche mince. La principale distinction est que le DLC utilise une sorte de carbone au lieu de pulvériser un groupe de métaux.
Le carbone a une petite taille atomique, allant de ~0.15 à ~0.22 nm de diamètre, et peut donc créer un film épais avec un facteur de compactage élevé.
Eh bien, pour la plupart des processus de dépôt, le mécanisme de base est le même : les atomes de carbone reçoivent une certaine quantité d'énergie et pénètrent dans le substrat. Cependant, chaque processus de dépôt a une quantité variable d’énergie par unité d’ion. Des procédés de dépôt variés confèrent aux revêtements DLC des propriétés différentes.
Ils remplissent tous deux la même fonction, mais le DLC offre une finition plus haute, plus durable et plus résistante aux rayures.
Les revêtements DLC gagnent en popularité dans l’industrie en raison de leurs propriétés mécaniques et tribologiques supérieures. Les revêtements DLC sont chimiquement inertes, biocompatibles et résistants à l'oxydation, avec une stabilité thermique allant jusqu'à 300 ° C.
Schmellenmeier a décrit pour la première fois des revêtements de carbone produits avec un plasma à décharge luminescente en présence d'acétylène. 1953. La couche de carbone présentait une bonne résistance aux rayures et une bonne dureté. En raison de la proportion accrue de diamants et des propriétés découvertes dans les revêtements. Ainsi, les revêtements carbone sont progressivement appelés DLC.
Comment le revêtement DLC est-il déposé ? Quelles techniques sont utilisées pour le revêtement en couche mince DLC ?
Explorons cela en détail.
Techniques de dépôt de DLC
Depuis plusieurs décennies, les scientifiques ont expérimenté de nombreuses méthodes pour générer des couches de carbone de type diamant (DLC). Les techniques de dépôt DLC peuvent être classées en dépôt physique en phase vapeur (PVD) et dépôt chimique en phase vapeur (CVD), qui sont les deux principales méthodes de création de couches DLC.
La source de carbone dans la méthode PVD est un solide (graphite), tandis que la source de carbone dans l'approche CVD est un gaz (un hydrocarbure tel que le méthane). Les procédés de dépôt à l'arc, par pulvérisation cathodique et par laser en phase vapeur sont tous des types de PVD.
La radiofréquence (RF), le courant continu (DC), la jauge d'ionisation Penning (PIG) et l'autodécharge sont toutes des méthodes CVD. La figure ci-dessous représente le CVD à plasma à décharge RF, le CVD à plasma PIG et le PVD à l'arc que nous avons utilisés.
La technique de dépôt peut être classée en six sortes d'approches basées sur la prévalence de phénomènes ou le type d'interaction physique, chimique ou physico-chimique sur le coeur ou le substrat : mécanique, thermomécanique, thermique, électrochimique, chimique et physique.
Les techniques de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PACVD) sont les plus largement utilisées. Ces technologies permettent la formation de couches à basse température en activant des processus chimiques en phase gazeuse, qui est un plasma à basse température.
Techniques de production de DLC
Structure atomique
Quel type de liaison atomique permet de produire de bonnes propriétés mécaniques du DLC ?
Les atomes de carbone forment trois types de liaisons différents : sp1, sp2 et sp3. Les allotropes de carbone, tels que le graphite et le diamant, sont formés par diverses configurations de liaison entre les atomes de carbone. Par conséquent, les modèles de liaison atomique qui donnent naissance à la microstructure jouent un rôle clé dans l'induction des qualités du matériau, notamment la dureté, le module de Young, la ténacité ou le frottement et l'usure, entre autres.
Tendances d’amélioration du revêtement DLC
Comment pouvons-nous améliorer le revêtement DLC ? Quelles sont les dernières tendances disponibles pour améliorer le revêtement DLC ?
Classification du revêtement DLC
La tendance à l'amélioration du revêtement DLC tout en utilisant un dopage par éléments étrangers pour améliorer les caractéristiques du DLC a commencé au début 1990s. Pour obtenir les propriétés souhaitées, les revêtements DLC ont été co-pulvérisés avec divers composants. Le stibium, l'iode et l'azote pour les qualités électriques, le chrome et le titane pour l'adhérence, la friction et l'usure, l'argent et le fluor à des fins médicales, le cuivre pour l'antifouling et le zirconium figuraient parmi les éléments utilisés pour améliorer la corrosion.
Cependant, il a été découvert que l’amélioration de certaines qualités du DLC grâce au dopage par éléments étrangers nécessite un compromis sur d’autres caractéristiques.
De nombreuses études ont été réalisées pour augmenter la ténacité et la friction du DLC en dopant des éléments métalliques dans une plage de 0.2 pour cent à 20 % pour compenser la dureté et le taux d'usure du DLC. Peu de recherches sur la dureté, la ténacité, les contraintes, le frottement et l'usure du DLC en relation avec le dopage métallique ont été publiées.
Par exemple, réduire la contrainte résiduelle de 2.5 à 0.5 GPa et le coefficient de frottement de 0.12 à 0.03 avec 18 % d'aluminium réduit la dureté de 24 à 8 GPa tout en augmentant le taux d'usure de 2.5*3^ 10^-8 à 13*. 3^10^-8 mm3/Nm.
De même, le dopage au titane dans le DLC abaisse la contrainte résiduelle de 0.9 à 0.3 GPa et le coefficient de frottement de ~1.0 à ~0.05, mais il abaisse également la dureté de ~10.5 à ~9 GPa.
Amélioration du revêtement DLC par nanocomposite DLC dopé
Substrat pour revêtement DLC
Quel type de substrat peut être utilisé pour le revêtement DLC ? Y a-t-il un prétraitement à prévoir pour le support ?
Il existe une vaste gamme de substrats pouvant être utilisés pour le revêtement DLC. Cependant, le substrat doit supporter la majeure partie de la charge appliquée, mais les revêtements DLC ont une couche naturelle très fine. Ainsi, une déformation plastique se produira si le substrat n'est pas suffisamment solide pour supporter la charge de contact et donc le revêtement, ce qui entraînera une défaillance précoce du revêtement.
Ces dernières années, la tâche consistant à améliorer les propriétés des revêtements DLC durs par prétraitement thermochimique du substrat a retenu beaucoup d'attention, conduisant au développement d'une nouvelle méthode connue sous le nom de traitement duplex.
La nitruration au plasma du substrat en acier avant le dépôt du revêtement est largement utilisée pour améliorer les qualités mécaniques du substrat et du revêtement. Il a été démontré que la nitruration au plasma du substrat en acier augmente la capacité de charge du composite revêtement-substrat.
Le DLC peut ne pas adhérer directement au support dans certaines circonstances (acier inoxydable traité). Dans le même temps, des matériaux de couche intermédiaire ont été utilisés pour finir les revêtements DLC afin d'améliorer l'adhérence.
Performance tribologique du revêtement DLC
Quelles sont les performances tribologiques du revêtement DLC en milieu humide et sec ? Dans quelle mesure est-ce bénéfique ?
Comparés aux matériaux en vrac et à d'autres surfaces revêtues résistantes à l'usure, les revêtements en carbone de type diamant (DLC) présentent un faible frottement et une grande résistance à l'usure. Les performances de friction et d'usure des films DLC sont fortement influencées par l'environnement, notamment l'atmosphère gazeuse, l'humidité et la température. Les films DLC hautement hydrogénés ont une friction minimale dans des environnements secs et inertes, mais les films DLC sans hydrogène ont une friction et une usure élevées.
Dans un environnement humide, le coefficient de frottement des deux types de films DLC est similaire, allant de 0.05 à 0.2, et les films DLC sans hydrogène offrent la meilleure résistance à l'usure. Les caractéristiques tribologiques bénéfiques de films DLC hydrogénés peut être perturbé à haute température en raison de l'épanchement d'hydrogène et de la graphitisation de la structure du film à basse température. Les films DLC sans hydrogène, en revanche, peuvent résister à des températures plus élevées malgré un coefficient de friction plus élevé.
En comparaison avec la plupart des matériaux en vrac, les revêtements DLC peuvent être considérés comme des revêtements à faible friction offrant une grande résistance à l'usure, comme les revêtements céramiques résistants à l'usure comme le TiN. Dans un environnement normal, le TiN a un coefficient de frottement d'environ 0.5 par rapport à l'acier, alors que les films DLC ont une valeur de friction inférieure à 0.2. Comparés aux contacts en acier lubrifiés aux limites par rapport aux contacts en acier, les revêtements DLC présentent souvent des niveaux de friction similaires dans les contacts non lubrifiés.
Pièces automobiles revêtues de DLC
Dans les contacts glissants, les revêtements DLC surpassent la plupart des matériaux et revêtements résistants à l'usure, car les taux d'usure des films DLC sont inférieurs de deux à trois ordres de grandeur à ceux, par exemple, des revêtements TiN.
La technique de dépôt et les paramètres de dépôt régulent une large gamme de compositions et de structures dans les films DLC. Comme indiqué dans diverses recherches, la composition du film, ainsi que les paramètres de test (charge et vitesse), l'environnement de test, la température et le matériau de la surface d'appui, influencent les performances de friction et d'usure des films DLC.
Propriétés du revêtement DLC
Quelle quantité de revêtement DLC est stable ? Quel type de propriétés faut-il considérer ?
Les revêtements DLC sont chimiquement inertes, biocompatibles et résistants à l'oxydation, avec une stabilité thermique allant jusqu'à 300 ° C. Cependant, outre les avantages précités, les revêtements DLC présentent des contraintes résiduelles importantes et une faible ténacité, limitant leur utilisation dans une large gamme d'applications, notamment en termes de performances mécaniques.
Une dureté élevée, une résistance à l'usure, un faible coefficient de frottement, une isolation élevée, une stabilité chimique élevée, des capacités de barrière aux gaz élevées, des qualités anti-brûlure élevées, une biocompatibilité élevée et une perméabilité infrarouge élevée sont toutes des caractéristiques des films DLC. Basse température (200 ° C) Des films DLC avec des surfaces planes peuvent être réalisés.
Applications industrielles
Les revêtements en carbone de type diamant (DLC) sont apparus comme la meilleure solution pour les applications physiques exigeantes où les composants sont soumis à des charges élevées ou à un frottement excessif, à l'usure et au contact avec d'autres pièces dans le monde des films minces résistants à l'usure. Seule la grande dureté d'un revêtement DLC, associée à un faible coefficient de friction, peut empêcher les pièces de se piquer, de se gripper, de se gripper et éventuellement de se briser sur le terrain dans ces conditions.
En général, les revêtements DLC sont utilisés pour de nombreuses applications pour lesquelles les revêtements PVD ont été privilégiés, à l'exception des instruments de coupe soumis à des températures de fonctionnement élevées. Les revêtements DLC sont particulièrement bénéfiques lorsque l’on souhaite réduire à la fois l’usure et la friction. Les revêtements DLC offrent également une finition noire agréable à l'œil.
Voici quelques exemples d’applications courantes :
- Automobile : Les axes de piston et les culbuteurs sont utilisés dans les automobiles.
- Médical : instruments chirurgicaux, prothèses
- Armes à feu : les glissières de pistolet, les canons et les porte-boulons sont tous des exemples d'armes à feu.
- Composants industriels : les pistons, les plongeurs, les engrenages et les garnitures mécaniques sont des exemples de composants et de machines industriels.
- Moulage par injection : les matrices, les broches d'éjection et les pièces coulissantes de la machine sont tous utilisés dans le moulage par injection.
- Biens de consommation : les montres-bracelets, les bijoux et les clubs de golf sont des exemples de biens de consommation.
Les matériaux revêtus de DLC pourraient également être utilisés pour prolonger la durée de vie et l’efficacité des sondes médicales, des cathéters et des implants cardiaques. Le DLC a également été allié à des métaux antimicrobiens comme l’argent ; non seulement l’argent réduit les contraintes de compression, mais il possède également des propriétés antibactériennes. Malgré le fait que beaucoup de travail a déjà été réalisé, des recherches supplémentaires sont nécessaires pour créer et commercialiser des dispositifs médicaux basés sur le DLC.
Conclusion
Les revêtements PVD et DLC présentent tous deux des similitudes dans les mécanismes de dépôt. En revanche, en raison de la petite taille des atomes de carbone, il peut créer une couche épaisse avec un facteur de compactage élevé. Le dépôt physique en phase vapeur (PVD) et le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) sont deux méthodes principales de dépôt de revêtement DLC.
Il existe trois types de liaisons sp1, sp2 et sp3 qui sont responsables de bonnes propriétés mécaniques. Le revêtement DLC peut être amélioré par dopage avec d'autres éléments. Une vaste gamme de substrats peut être utilisée pour le revêtement DLC. Mais le prétraitement du substrat a suscité beaucoup d’attention et est connu sous le nom de traitement duplex.
Le revêtement DLC présente les meilleures performances tribologiques dans les environnements humides et secs. Ce revêtement est stable jusqu'à 300 ° C. Il existe de nombreuses applications du revêtement DLC dans les composants automobiles, médicaux, de moulage par injection et industriels.
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