« Durabilité d’interfaces tribologiques lubrifiées par des couches minces sous ultravide »

Mots-clés : tribologie, couches minces, environnement contrôlé, durabilité, lubrifiants solides, nitrure de titane (TiN), disulfure de molybdène (MoS2), Diamond-Like carbon (DLC)

Rendez-vous le mardi 09 Avril 2024 à 14h dans l’amphi 203 du bâtiment W1, à l’École Centrale de Lyon (campus d’Écully)

COMPOSITION DU JURY

• Yannick DESPLANQUES, Professeur, LaMcube – Université de Lille, Rapporteur
• Anna IGUAL-MUNOZ, Senior Scientist, TIC – Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Rapportrice
• Aurélien SAULOT, Professeur, LaMCoS – INSA Lyon, Examinateur
• Jean-Luc LOUBET, Directeur de recherche CNRS – LTDS, Directeur de thèse
• Julien FONTAINE, Chargé de recherche CNRS – LTDS, Co-encadrant de thèse
• 2 invités de l’entreprise industrielle partenaire

RÉSUMÉ

L’utilisation de couches minces pour la fonctionnalisation tribologique des surfaces est largement répandue dans l’industrie. Elle vise à maîtriser l’usure ou le frottement, selon qu’il s’agisse de couches dures ou de lubrifiants solides. Dans le contexte de contacts secs sous vide, où les phénomènes adhésifs sont prédominants, des transferts de matière entre les surfaces interviennent. Ils conduisent à la formation d’une interface qui conditionne le comportement tribologique du contact.

Après une analyse approfondie des dégradations d’une couche mince de TiN en contact avec un acier dans un mécanisme réel, une modélisation expérimentale adaptée a permis de reproduire ces dégradations sur des surfaces modèles dans un tribomètre en environnement contrôlé. La géométrie sphère/plan du contact, avec le revêtement déposé sur la bille, induit une sollicitation continue de ce dernier, accélérant ainsi l’apparition des dégradations. Cette modélisation utilise un tribomètre unique au monde, permettant de réaliser des expériences tribologiques dans toutes les directions du plan et la mesure des forces résistantes aux déplacements dans toutes les directions de l’espace, grâce à son capteur de forces 6 axes. Cette étude expérimentale a mis en évidence les processus de formation et de rupture des jonctions adhésives dans des contacts impliquant des couches minces commerciales de natures variées, qu’elles soient dures (TiN) ou présentant de capacités de lubrification solide (MoS2 et carbone amorphe hydrogéné a-C:H).

Le comportement tribologique des couches lubrifiantes est comparé à celui de la couche dure de TiN. Une analyse des phénomènes de transfert dans ces contacts met en évidence la distinction entre la durabilité de la couche (arrachement pour les couches dures et usure pour les couches tendres) et la durabilité du contact (caractérisée par l’apparition d’un grippage macroscopique). La durabilité du contact est intrinsèquement liée à l’évolution du matériau interfacial formé lors des transferts de matière entre surfaces, résultant des phénomènes adhésifs. Cette étude met en lumière la diversité et la complexité des modifications de surface induites par le frottement.

Une approche novatrice, basée sur le croisement de traces de frottement, convertit le tribomètre en un outil analytique permettant de dissocier les rôles des différentes modifications de surface sur le comportement tribologique du contact. Cette démarche a été appliquée au cas particulier du frottement d’un acier contre une couche mince de carbone amorphe hydrogénée.