Study of a low pressure arc discharge plasma enhanced nitriding reactor : application to steels, aluminium and titanium surfaces treatments

Abstract

Les développements technologiques récents dans le domaine des décharges dites intensifiées ont permis de diminuer les pressions utilisées en nitruration assistée par des décharges diodes. L’objet de cette étude est de caractériser un nouveau procédé de nitruration assistée par un arc transféré. Celui-ci est basé sur une décharge d'arc à filament thermoémissif générée dans une chambre d'ionisation placée au dessus du réacteur de nitruration. Des anodes segmentées distribuées dans le réacteur permettent de créer un plasma basse tension (20-40 V) à fort courant (100-300A) dans des mélanges gazeux Ar-N2 et Ar-N2-H2. Un diagnostic du plasma mène par spectroscopie d'émission optique, a permis de déterminer les mécanismes d'excitation. En particulier, des résultats concernant la chimie en phase gazeuse des ions Ar+ et N2+ ont été mis en évidence. Une partie de cette étude est consacrée à l'analyse du plasma d'argon issus de la chambre d'ionisation, une seconde partie est consacrée à l'étude de la décharge d'arc dans différents mélanges gazeux (Ar-H2, Ar-N2, Ar-N2-H2 et Ar-N2-CH4). Ces résultats sont confrontés à ceux de l'analyse métallurgique d'échantillons en fer armco nitrurés au potentiel flottant et une corrélation entre l'intensité lumineuse des espèces excitées et la réactivité du fer a pu être mis en évidence. L’élaboration de couches nitrurées sur des substrats en acier AISI 316L, en aluminium et en titane a été abordée pour évaluer les potentialités du procédé. La nitruration de pièces en 316L pour différents temps de traitements à deux températures (310 et 410°C) et de pièces en titane (480°C-750°C) a permis de déterminer les cinétiques de croissance et les structures des couches de diffusion. La concentration superficielle en azote diminue avec la température même lorsque les caractéristiques du plasma ne sont pas modifiées ; ceci est probablement du à la recombinaison de l'azote à l'interface plasma-solide. L’influence de la polarisation des pièces en 316L et en aluminium a été étudiée afin de corréler les paramètres du procédé aux propriétés de surfaces ; en particulier, un compromis entre un décapage ionique efficace et une polarisation des pièces permet la formation d'une couche continue de nitrure d'aluminium sur l'aluminium.