FR2738017A1 - METHOD FOR COATING A CARBIDE OR A MIXED CARBONITRIDE OF TI AND ZR BY CHEMICAL VAPOR DEPOSITION (CVD) AND DEVICE FOR FORMING A CERAMIC COATING FROM AT LEAST TWO METALLIC PRECURSORS - Google Patents
METHOD FOR COATING A CARBIDE OR A MIXED CARBONITRIDE OF TI AND ZR BY CHEMICAL VAPOR DEPOSITION (CVD) AND DEVICE FOR FORMING A CERAMIC COATING FROM AT LEAST TWO METALLIC PRECURSORS Download PDFInfo
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Abstract
Description
PROCEDE DE REVETEMENT D'UN CARBURE OU D'UN CARBONITRURE MIXTE
DE Ti ET DE Zr PAR DEPOT CHIMIQUE EN PHASE VAPEUR (CVD) ET
DISPOSITIF DESTINE A FORMER UN REVETEMENT CERAMIQUE à PARTIR
D'AU MOINS DEUX PRECURSEURS METALLIQUES
La présente invention se rapporte à un procédé de revêtement d'un carbure ou d'un carbonitrure mixte de Ti et de
Zr par dépôt chimique en phase vapeur sur un substrat métallique ou céramique, ainsi qu'à un dispositif destiné à former un revêtement céramique d'au moins deux précurseurs métalliques par la technique CVD.PROCESS FOR COATING A CARBON OR A MIXED CARBONITRIDE
Of Ti and Zr by Chemical Vapor Deposition (CVD) and
DEVICE FOR FORMING A CERAMIC COATING FROM
AT LEAST TWO METAL PRECURSORS
The present invention relates to a process for coating a carbide or a mixed carbonitride of Ti and
Zr by chemical vapor deposition on a metal or ceramic substrate, and a device for forming a ceramic coating of at least two metal precursors by the CVD technique.
Les revêtements céramiques réalisés par la technique CVD sont bien connus. Les précurseurs utilisés pour effectuer ces revêtements sont généralement sous forme d'halogénures que l'on décompose à chaud et dont on fait réagir les éléments métalliques avec de l'oxygène, un hydrocarbure et/ou de l'azote pour former des oxydes, des carbures, des nitrures ou des carbonitrures. L'avantage de cette technique de revêtement est de donner une excellente adhérence du revêtement sur le substrat. C'est la raison pour laquelle la CVD est utilisée en particulier pour le revêtement des outils de coupe. Ceramic coatings made by the CVD technique are well known. The precursors used to make these coatings are generally in the form of halides which are decomposed hot and whose metal elements are reacted with oxygen, a hydrocarbon and / or nitrogen to form oxides, carbides, nitrides or carbonitrides. The advantage of this coating technique is to give excellent adhesion of the coating to the substrate. This is the reason why CVD is used especially for the coating of cutting tools.
L'inconvénient de cette technique est de nécessiter un chauffage du substrat à des températures de l'ordre de 1000'C et plus, limitant de ce fait la nature des substrats sur lesquels des revêtements par CVD peuvent être réalisés. The disadvantage of this technique is that it requires heating the substrate at temperatures of the order of 1000 ° C. and higher, thereby limiting the nature of the substrates on which CVD coatings can be made.
On a proposé d'abaisser la température du substrat en remplaçant les précurseurs sous forme d'halogénures par des précurseurs organométalliques. C'est ainsi que J. Slifirski (thèse Perpignan, 1993, N 257C) a proposé de déposer du TiC, du TiN ou du TiCN sur un substrat métallique en partant d'un précurseur organométallique Ti(CgH5)2C12 sublimé dans un réacteur alimenté en H2 avec un certain pourcentage de N2. It has been proposed to lower the temperature of the substrate by replacing the precursors in the form of halides with organometallic precursors. Thus, J. Slifirski (Perpignan thesis, 1993, N 257C) proposed depositing TiC, TiN or TiCN on a metal substrate starting from a sublimed Ti (CgH5) 2C12 organometallic precursor in a fed reactor. in H2 with a certain percentage of N2.
On sait par ailleurs qu'une solution solide de carbonitrure mixte de Ti et de Zr permet d'accroître encore les propriété mécaniques, notamment, la dureté. On présume en outre qu'elle présente une excellente tenue à l'oxydation à chaud, même en milieu agressif et donne une bonne résistance à la corrosion aqueuse. It is also known that a solid solution of mixed carbonitride Ti and Zr can further increase the mechanical properties, including hardness. It is further presumed that it has excellent resistance to hot oxidation, even in an aggressive environment and gives good resistance to aqueous corrosion.
Le but de la présente invention est précisément de réaliser un tel revêtement. The object of the present invention is precisely to produce such a coating.
A cet effet, la présente invention a pour objet un procédé de revêtement d'un carbure ou d'un carbonitrure mixte de Ti et de Zr par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) sur un substrat métallique ou céramique caractérisé par le fait que l'on décompose d'une part un précurseur organométallique de Ti à sa température de sublimation et, d'autre part, un précurseur organométallique de Zr à sa température de sublimation dans un réacteur alimenté en H2 et, dans le cas du dépôt de carbonitrure, en NH3 en tant que précurseur d-'azote et que l'on produit un déplacement relatif entre les précurseurs de Ti et de Zr d'une part, et le substrat chauffé entre environ 650 et 850 d'autre part, pour amener alternativement ce substrat visà-vis de chacun desdits précurseurs de Ti et de Zr, la vitesse de ce déplacement étant choisie pour que la réaction entre les composants forme sur ce substrat un dépôt mixte de carbure ou de carbonitrure des deux éléments. For this purpose, the subject of the present invention is a process for coating a Ti or Zr mixed carbide or carbonitride by chemical vapor deposition (CVD) on a metal or ceramic substrate, characterized in that on the one hand, an organometallic precursor of Ti is decomposed at its sublimation temperature and, on the other hand, an organometallic precursor of Zr at its sublimation temperature in a reactor fed with H2 and, in the case of carbonitride deposition, in NH 3 as a nitrogen precursor and that a relative displacement between the precursors of Ti and Zr on the one hand, and the heated substrate between approximately 650 and 850 on the other hand, to bring alternatively this substrate with respect to each of said precursors of Ti and Zr, the speed of this displacement being chosen so that the reaction between the components forms on this substrate a mixed deposition of carbide or carbonitride of the two elements.
Le dessin annexé illustre le procédé et les résultats obtenus à l'aide du procédé de dépôt objet de la présente invention. The accompanying drawing illustrates the process and the results obtained using the deposition method of the present invention.
La figure 1 est une vue en coupe schématique du sublimateur expérimental utilisé pour produire les exemples. Figure 1 is a schematic sectional view of the experimental sublimator used to produce the examples.
La figure 2 est un diagramme du % at. de Zr par rapport au
Ti en fonction du paramètre de maille déterminé par RX.Figure 2 is a diagram of the% at. of Zr compared to
Ti according to the mesh parameter determined by RX.
La figure 3 est une imagerie X montrant la répartition des éléments dans le dépôt. Figure 3 is an X-ray image showing the distribution of the elements in the depot.
La figure 4 est une vue schématique en élévation coupée du sublimateur pour la mise en oeuvre du procédé objet de l'invention. Figure 4 is a schematic elevational view of the sublimator for the implementation of the method of the invention.
Les exemples qui vont suivre ont été réalisés dans un appareil de dépôt CVD à murs froids avec sublimateur dans le réacteur. La distance entre le sublimateur et le substrat est de 40 mm. The following examples were made in a cold-wall CVD deposition apparatus with sublimator in the reactor. The distance between the sublimator and the substrate is 40 mm.
La figure 1 illustre le sublimateur utilisé pour réaliser ces exemples et qui comporte deux creusets en A1203, un creuset extérieur 1 et un creuset intérieur 2. Un espace est ménagé entre les deux creusets pour recevoir le précurseur TiCp2C12 (Cp: cyclo pentadiényl C5Hg), tandis que le précurseur ZrCp2C12 est placé dans le creuset intérieur 2. Les creusets sont entourés par un enroulement chauffant 3. Un couvercle 4 en
A1203 percé d'une ouverture centrale 5 est placé sur le creuset externe 1 tandis que le bord du creuset interne 2 se trouve à distance du couvercle 4 afin de permettre le passage de la vapeur du précurseur TiCp2C12 vers le substrat disposé 40 mm au-dessus.FIG. 1 illustrates the sublimator used to carry out these examples and which comprises two crucibles A1203, an external crucible 1 and an inner crucible 2. A space is provided between the two crucibles to receive the precursor TiCp2Cl2 (Cp: cyclo pentadienyl C5Hg), while the precursor ZrCp2C12 is placed in the inner crucible 2. The crucibles are surrounded by a heating coil 3. A cover 4 in
A1203 pierced with a central opening 5 is placed on the outer crucible 1 while the edge of the inner crucible 2 is spaced from the cover 4 to allow the passage of the precursor TiCp2C12 vapor to the substrate disposed 40 mm above .
Les exemples se sont déroulés selon le protocole suivant:
Le substrat et les précurseurs sont introduits dans le réacteur qui est mis sous vide pendant environ 2 heures. Le pompage est alors arrêté pour remplir le réacteur d'hydrogène jusqu'à ce que la pression atteigne la pression atmosphérique à laquelle se déroule le processus de dépôt.The examples were conducted according to the following protocol:
The substrate and the precursors are introduced into the reactor which is evacuated for about 2 hours. The pumping is then stopped to fill the hydrogen reactor until the pressure reaches the atmospheric pressure at which the deposition process takes place.
On chauffe le sublimateur jusqu'à ce que le température atteigne 240 C à l'aide de l'enroulement chauffant 3. The sublimator is heated until the temperature reaches 240 C by means of the heating coil 3.
Parallèlement le substrat est chauffé à l'aide d'un générateur HF jusqu'à ce que sa température Ts atteigne entre 650 et 850-. At the same time the substrate is heated using an HF generator until its temperature Ts reaches between 650 and 850-.
Lorsque la température du précurseur atteint 240 C, on ajuste le débit d'ammoniac en phase gazeuse à la valeur désirée et le processus dure 3 heures à partir de ce moment. La tension aux bornes de l'enroulement chauffant 3 doit être surveillée au moins pendant la première heure de manière à atteindre un bon équilibre thermique. When the temperature of the precursor reaches 240 ° C., the gas phase ammonia flow rate is adjusted to the desired value and the process lasts 3 hours from this moment. The voltage across the heating winding 3 must be monitored at least during the first hour so as to achieve a good thermal equilibrium.
Pendant la phase de refroidissement consécutive à l'arrêt du générateur HF et de la tension aux bornes de l'enroulement chauffant 3, les débits d'hydrogène et d'ammoniac sont arrêtés et remplacés par 100 sccm d'argon pendant au moins i heure de façon à purger le débitmètre d'ammoniac et le réacteur avant démontage. During the cooling phase following the shutdown of the HF generator and the voltage at the terminals of the heating winding 3, the flow rates of hydrogen and ammonia are stopped and replaced by 100 sccm of argon for at least 1 hour. so as to purge the ammonia flow meter and the reactor before disassembly.
Le sublimateur expérimental, illustré par le figure 1, a permis de sublimer des fractions de précurseurs de l'ordre de 10 3. La température de fusion du TiCp2C12 est de 265-270'C (fournisseur: Fluka) et une vitesse de sublimation optimale est obtenue à 240 C sans qu'il y ait décomposition du précurseur (une première fragmentation est observé à partir de 290'C). Par analogie, nous supposons qu'il n'y a pas décomposition du
ZrCp2C12 en dessous de sa température de fusion qui est donnée par le fournisseur (Aldrich) à 240 C. Dans ces conditions, les deux précurseurs sont sublimés à la même température.The experimental sublimator, illustrated in FIG. 1, made it possible to sublimate precursor fractions of the order of 3. The melting temperature of the TiCp2C12 is 265-270 ° C. (supplier: Fluka) and an optimal sublimation rate. is obtained at 240 C without decomposition of the precursor (a first fragmentation is observed from 290'C). By analogy, we assume that there is no decomposition of
ZrCp2C12 below its melting temperature which is given by the supplier (Aldrich) at 240 ° C. Under these conditions, the two precursors are sublimated at the same temperature.
Tous les paramètres susmentionnés étant fixes, les exemples figurant dans le tableau ci-dessous ne varient qu'en fonction de la température Ts du substrat en carbure de tungstène avec liant cobalt et du X d'ammoniac en phase gazeuse mélangé à l'hydrogène. Ce sont en effet ces deux paramètres qui ont la plus grande influence sur la composition du dépôt. Les résultats des exemples sont issus des analyses RX et MEB-EDX (en surface). Since all the aforementioned parameters are fixed, the examples given in the table below vary only as a function of the temperature Ts of the tungsten carbide substrate with cobalt binder and the gas phase ammonia X mixed with hydrogen. It is indeed these two parameters that have the greatest influence on the composition of the deposit. The results of the examples come from the RX and MEB-EDX (surface) analyzes.
MEB-EDX: les pourcentages atomiques sont issus d'une surface (grossissement 100) située au centre de l'échantillon. MEB-EDX: Atomic percentages are from a surface (magnification 100) in the center of the sample.
Les vitesses de croissance ont été mesurées sur des coupes polies.Growth rates were measured on polished sections.
RX: le paramètre de maille est calculé à partir de la seule raie (200) du dépôt qui n' est pas perturbée par les raies du substrat. Au préalable, le spectre est recalé sur la raie (110) du WC du substrat (20=63,977 ).
RX: the mesh parameter is calculated from the only line (200) of the deposit which is not disturbed by the lines of the substrate. Beforehand, the spectrum is recaled on the line (110) of the WC of the substrate (20 = 63.977).
<tb><Tb>
N <SEP> T <SEP> (C) <SEP> XNH3 <SEP> Xat.Ti <SEP> %AT.Zr <SEP> A(A) <SEP> G <SEP> (m/h) <SEP>
<tb> 850 <SEP> 10 <SEP> 11 <SEP> 83 <SEP> 4.640 <SEP> 1.38
<tb> 2 <SEP> 750 <SEP> 10 <SEP> 9 <SEP> 77 <SEP> 4.656 <SEP> 0.78
<tb> 3 <SEP> 850 <SEP> 10 <SEP> 6 <SEP> 84 <SEP> 4.524 <SEP> 2.25
<tb> 4 <SEP> 850 <SEP> 20 <SEP> 6 <SEP> 86 <SEP> 4.557 <SEP> 1.58
<tb>
Les pourcentages atomiques figurant sur ce tableau sont issus d'une analyse de surface. I1 a été vérifié que les résultats sont identiques sur coupe polie, ce qui montre l'uniformité de la répartition des éléments en profondeur. Nous avons pu tracer la figure 2 qui représente le pourcentage atomique de Zr en fonction du paramètre de maille, à l'aide d'un dosage du Ti et du Zr sur coupe polie et des résultats RX.## EQU1 ##
<tb> 850 <SEP> 10 <SEP> 11 <SEP> 83 <SEP> 4.640 <SEP> 1.38
<tb> 2 <SEP> 750 <SEP> 10 <SEP> 9 <SEP> 77 <SEP> 4.656 <SEP> 0.78
<tb> 3 <SEP> 850 <SEP> 10 <SEP> 6 <SEP> 84 <SEP> 4.524 <SEP> 2.25
<tb> 4 <SEP> 850 <SEP> 20 <SEP> 6 <SEP> 86 <SEP> 4.557 <SEW> 1.58
<Tb>
The atomic percentages in this table are derived from a surface analysis. It has been verified that the results are identical on polished cut, which shows the uniformity of the distribution of the elements in depth. We have been able to draw figure 2 which represents the atomic percentage of Zr as a function of the mesh parameter, using a ratio of Ti and Zr on polished section and RX results.
Les frontières, délimitées par les paramètres théoriques, du
TiN, ZrN, TiC et ZrC sont aussi indiquées sur ce diagramme de la figure 2. The boundaries, delimited by the theoretical parameters,
TiN, ZrN, TiC and ZrC are also indicated in this diagram of FIG.
Les résultats du tableau ci-dessus et du diagramme de la figure 2 permettent de faire divers observations:
Les vitesses de croissance sont globalement plus faibles que celles observées lors du dépôt de carbonitrure de Ti à partir du même précurseur. Ceci laisse penser que le taux de conversion du ZrCp2C12 est plus faible que celui du TiCp2C1 la même température de pyrolyse.The results in the table above and the diagram in Figure 2 allow us to make various observations:
The growth rates are generally lower than those observed during the deposition of Ti carbonitride from the same precursor. This suggests that the conversion rate of ZrCp2C12 is lower than that of TiCp2C1 at the same pyrolysis temperature.
Un pourcentage en NH3 de 10% semble être tout à fait suffisant, car à 850'C un excès supplémentaire a un effet inhibiteur de croissance comme on a pu l'observer lors du dépôt de carbonitrure de titane seul, à partir du même précurseur. An NH 3 percentage of 10% seems to be quite sufficient, since at 850 ° C. an additional excess has a growth inhibiting effect, as has been observed during the deposition of titanium carbonitride alone, from the same precursor.
La domaine couvert par les exemples se situe dans la zone riche en Zr ce qui est lié à la physionomie du montage qui ne permet pas de chauffer indépendamment les deux précurseurs. The area covered by the examples is in the zone rich in Zr which is related to the physiognomy of the assembly which does not allow to independently heat the two precursors.
D'autre part, la variation de la température du substrat intervient uniquement sur la vitesse de croissance et non sur la teneur en Zr du dépôt. Dans ces conditions, la température de sublimation des produits interviendrait sur le rapport
Zr/(Zr+Ti) alors que celle du substrat n'aurait d'influence que sur la vitesse de croissance.On the other hand, the variation of the substrate temperature only affects the growth rate and not the Zr content of the deposit. Under these conditions, the sublimation temperature of the products would affect the ratio
Zr / (Zr + Ti) whereas that of the substrate would only influence the growth rate.
La figure 3 est une imagerie X faite sur un échantillon selon l'exemple 1 du tableau ci-dessus et montrant une bonne répartition des éléments du dépôt. FIG. 3 is an X-ray imaging made on a sample according to Example 1 of the above table and showing a good distribution of the elements of the deposit.
Les exemples qui précèdent se rapportent tous à des carbonitrures mixtes de Ti et Zr. I1 est bien évident pour l'homme du métier que des carbures mixtes de Ti et de Zr peuvent également être obtenus. A cet effet, il suffit simplement de supprimer l'apport d'ammoniac dans le H2. The foregoing examples all relate to mixed carbonitrides of Ti and Zr. It is obvious to those skilled in the art that mixed carbides of Ti and Zr can also be obtained. For this purpose, it suffices simply to suppress the supply of ammonia in the H2.
Comme on l'a indiqué, le sublimateur illustré par la fig. As indicated, the sublimator illustrated in FIG.
1 a été utilisé pour obtenir les exemples susmentionnés. On envisage un autre type de sublimateur ou même l'utilisation de deux sublimateurs, un pour chaque précurseur, afin de varier les concentrations de Ti et de Zr dans le dépôt.1 was used to obtain the above examples. Another type of sublimator or even the use of two sublimators, one for each precursor, is contemplated in order to vary the Ti and Zr concentrations in the deposit.
La figure 4 illustre schématiquement l'installation utilisée en vue de permettre de faire varier les proportions de
Ti et Zr, étant donné que les exemples précédents, réalisés à l'aide du réacteur de la figure 1 ne permettent pas de modifier le rapport Zr/Ti qui reste autour de 9/1. La raison en est que la température de sublimation du Ti est sensiblement supérieure à celle du Zr. C'est la raison pour laquelle le précurseur de
Ti a été mis dans le creuset extérieur et celui de Zr dans le creuset intérieur. Toutefois, cette mesure n'a pas été suffisante. Le fait de mettre les deux précurseurs dans deux creusets distincts, séparés l'un de l'autre pose un problème d'homogénéisation du composé mixte Ti, Zr. On obtient en effet dans ce cas, d'une part, du TiC ou TiCN, d'autre part, du ZrC ou ZrCN.Si les deux creusets sont trop proches l'un de l'autre, le problème n'est pas résolu pour autant et en plus il y a transfert thermique par rayonnement entre les deux creusets.FIG. 4 schematically illustrates the installation used to allow the proportions of
Ti and Zr, since the preceding examples, carried out using the reactor of FIG. 1, do not make it possible to modify the Zr / Ti ratio which remains around 9/1. This is because the sublimation temperature of Ti is substantially higher than that of Zr. This is why the precursor of
Ti was put in the outer crucible and that of Zr in the inner crucible. However, this measure was not enough. The fact of putting the two precursors in two separate crucibles, separated from each other, poses a problem of homogenization of the mixed compound Ti, Zr. In this case, on the one hand, TiC or TiCN is obtained, on the other hand, ZrC or ZrCN.If the two crucibles are too close to each other, the problem is not solved. for all that and in addition there is heat transfer by radiation between the two crucibles.
L'installation illustrée par le figure 4, permettant de résoudre le problème de la variation du rapport Zr/Ti, dans les revêtements de carbures ou de carbonitrures à partir de précurseurs organométalliques solides comporte une enceinte tubulaire 6 en quartz dont la base est fixée de manière étanche connue à une platine de base 7 percée de plusieurs ouvertures dont notamment les ouvertures 8,9 pour alimenter cette enceinte en gaz. Dans cet exemple ces gaz, dans le cas de carbonitrure, sont H2 et le précurseur d'azote NH3. D'autres ouvertures sont ménagées pour la connexion du chauffage de creusets et celle de thermocouples comme on le verra par la suite. L'extrémité supérieure (non représentée) est reliée de manière habituelle à une pompe à vide.Une ouverture 10, ménagée au centre de la platine de base 7, sert au passage étanche d'un arbre 11, dont la partie interne lia est en alumine, s'étendant coaxialement à l'axe de révolution de cette enceinte tubulaire 6. L'extrémité inférieure de la partie interne lia est en prise avec un manchon de connexion 12, tandis que l'extrémité supérieure porte un disque 13 de support de substrats. Ce disque 13 est en graphite passivé au SiC. Il présente dans cet exemple 4 ouvertures 14 comportant chacune un épaulement 14a servant de support au substrat 15 à revêtir. Un enroulement électrique 27 connecté à une source de courant haute-fréquence HF entoure enceinte tubulaire 6 au niveau du disque 13 afin de chauffer les substrats 15 par l'intermédiaire du disque en graphite. The installation illustrated in FIG. 4, making it possible to solve the problem of the variation of the Zr / Ti ratio, in carbide or carbonitride coatings from solid organometallic precursors comprises a tubular tubular enclosure 6 whose base is fixed with known waterproof way to a base plate 7 pierced with several openings, including the openings 8.9 for supplying the gas enclosure. In this example, these gases, in the case of carbonitride, are H 2 and the nitrogen precursor NH 3. Other openings are provided for the connection of crucible heating and that of thermocouples as will be seen later. The upper end (not shown) is connected in the usual way to a vacuum pump. An opening 10, formed in the center of the base plate 7, serves for the sealed passage of a shaft 11, the inner portion 11a is in alumina, extending coaxially with the axis of revolution of this tubular enclosure 6. The lower end of the inner portion 11a is engaged with a connecting sleeve 12, while the upper end carries a disc 13 of support substrates. This disc 13 is graphite passivated SiC. In this example, it has four openings 14 each having a shoulder 14a serving as support for the substrate 15 to be coated. An electric winding 27 connected to a high-frequency RF power source surrounds tubular enclosure 6 at the disk 13 to heat the substrates 15 through the graphite disk.
Des creusets 16, au nombre de quatre dans cet exemple, sont répartis à égale distance angulaire les uns des autres autour de l'axe de révolution de l'enceinte tubulaire 6. Ces creusets 16 sont positionnés dans des empreintes 17 ménagées dans un support 18 fixé à quatre pieds 19 posés dans des trous borgnes de positionnement 20 ménagés sur la platine de base 7,
Un couvercle en alumine 21 percé d'ouvertures 22 correspondant aux ouvertures des creusets 16 est posé sur ceux-ci. Des corps de chauffe 23 et des thermocouples 24 servent au chauffage régulé de chacun des creusets.Ces corps de chauffe et ces thermocouples sont reliés à l'extérieur de l'enceinte tubulaire étanche 6 par des ouvertures ménagées à travers la platine de base 7, le passage des fils de connexion à travers ces ouvertures étant réalisé de façon étanche par les moyens habituellement utilisés dans les réacteurs pour CVD.Crucibles 16, four in number in this example, are distributed at equal angular distance from each other around the axis of revolution of the tubular enclosure 6. These crucibles 16 are positioned in cavities 17 formed in a support 18 fixed to four feet 19 placed in blind positioning holes 20 formed on the base plate 7,
An alumina lid 21 pierced with openings 22 corresponding to the openings of the crucibles 16 is placed thereon. Heating bodies 23 and thermocouples 24 serve for controlled heating of each of the crucibles.These heating bodies and these thermocouples are connected outside the sealed tubular enclosure 6 by openings formed through the base plate 7, the passage of the connection son through these openings being made in a sealed manner by the means usually used in the reactors for CVD.
Le manchon de connexion 12 comporte plusieurs vis 25 qui permettent de fixer l'arbre lia à des hauteurs variables et par conséquent de régler ainsi la auteur du disque 13 de support des substrats 15 et ainsi, de varier la distance entre les creusets 16 et les substrats 15. L'extrémité inférieure du manchon de connexion 12 est fixée l'arbre 11 qui est celui d'un moteur 26 à vitesse variable.Dans le cas présent, cette vitesse peut varier de 30 à 300 Tr/min afin de faire tourner le disque 13 et par conséquent les substrats 15 à revêtir par rapport aux creuset et produire de ce fait un dépôt combiné des différents précurseurs contenus dans les creusets en réagissant ou non également avec un précurseur gazeux, dans cet exemple, avec le NH3A l'aide de l'installation de la figure 4, on a effectué un revêtement de TiZrCN à pression atmosphérique à partir des précurseurs susmentionnés TiCp2Cl2 et ZrCp2Cl2 disposés respectivement dans deux des quatre creusets 16 situés à 180 l'un de l'autre. On alimente l'enceinte 6 en H2 et 5X
NH3.The connection sleeve 12 comprises several screws 25 which make it possible to fix the shaft 11a at variable heights and therefore to adjust the author of the support disk 13 of the substrates 15 and thus to vary the distance between the crucibles 16 and the substrates 15. The lower end of the connection sleeve 12 is fixed to the shaft 11 which is that of a variable speed motor 26. In this case, this speed can vary from 30 to 300 RPM in order to rotate the disc 13 and therefore the substrates 15 to be coated with respect to the crucible and thereby produce a combined deposition of the various precursors contained in the crucibles, whether or not also reacting with a gaseous precursor, in this example, with NH3A using of the installation of FIG. 4, a TiZrCN coating was carried out at atmospheric pressure from the abovementioned precursors TiCp2Cl2 and ZrCp2Cl2 respectively located in two of the four crucibles 16 at 180 from each other. We feed the enclosure 6 in H2 and 5X
NH3.
On a chauffé le TiCp2Cl2 à 240 C, le ZrCp2Cl2 à 210il tandis que les substrats ont été chauffé à 700 C. Le disque 13 porteur de substrats 15 est entraîné à une vitesse de l'ordre de 1 à 2 tours/seconde, soit de 0,2 à 0,4 m/s, ce qui permet d'obtenir un revêtement TiZrCN dans lequel
X at Ti
= 1
X at Zr
% at Ti
= 1
% at C
De façon générale, la température du TiCp2C12 peut varier entre 240- et 270'C, celle du ZrCp2Cl2 entre 210 et 240 C et celle du substrat entre 650. et 850.. La vitesse de rotation du disque 13 peut varier entre 30 et 300 Tr/min ce qui correspond, vu le diamètre au centre du substrat à 0,1 à 1 m/s. De façon générale, en augmentant la température de l'un des précurseurs par rapport a l'autre on augmente la proportion du métal de ce précurseur dans le revêtement par rapport au métal de l'autre précurseur. La variation des températures des précurseurs et du substrat permet aussi de modifier la vitesse de croissance du revêtement.La rotation du disque 13 permet de mieux homogénéiser le système gazeux issu de sources séparées et distantes l'une de l'autre de sorte que chaque substrat ne reçoit pas alternativement un gaz puis l'autre et ainsi de suite, mais constamment un mélange provoqué par le brassage engendré par la rotation du disque. De ce fait, il est possible d'obtenir un revêtement homogène et non formé de strates successives de TiCN et de ZrCN.The TiCp2Cl2 was heated to 240 ° C., the ZrCp2Cl2 was heated to 210 ° C. while the substrates were heated to 700 ° C. The substrate-carrying disc 13 was driven at a speed of the order of 1 to 2 revolutions / second, ie 0.2 to 0.4 m / s, which makes it possible to obtain a TiZrCN coating in which
X at Ti
= 1
X at Zr
% at Ti
= 1
% at C
In general, the temperature of the TiCp2C12 can vary between 240 ° and 270 ° C., that of the ZrCp2Cl2 between 210 ° and 240 ° C. and that of the substrate between 650 ° and 850 °. The rotational speed of the disc 13 can vary between 30 and 300 ° C. RPM which corresponds, given the diameter at the center of the substrate at 0.1 to 1 m / s. In general, increasing the temperature of one of the precursors relative to the other increases the proportion of the metal of this precursor in the coating relative to the metal of the other precursor. The variation of the precursor and substrate temperatures also makes it possible to modify the growth rate of the coating. The rotation of the disc 13 makes it possible to better homogenize the gaseous system coming from sources that are separated and distant from each other so that each substrate does not receive alternately a gas then the other and so on, but constantly a mixture caused by the stirring generated by the rotation of the disc. Therefore, it is possible to obtain a homogeneous and untreated coating of successive layers of TiCN and ZrCN.
Parmi les substrats susceptibles d'être revêtus à l'aide du procédé décrit on peut mentionner le WC-Co pour les outils de coupe en vue d'augmenter leur dureté, des alliages pour résistances électriques pour augmenter outre leur dureté, leur résistance à l'oxydation à haute température et/ou leur résistance à la corrosion aqueuse pour des éléments chauffants en milieu agressif tels que les lits fluidisés ou pour des installations chimiques ou sous-marines. On peut aussi revêtir des substrats en acier ou en fonte notamment pour réaliser des moules en fonte pour des polymères ou du verre. Bien entendu, les substrats mentionnés ici, ainsi que les applications ne sont pas limitatifs, mais uniquement cités à titre d'exemples. Among the substrates which can be coated by means of the method described, mention may be made of WC-Co for cutting tools with a view to increasing their hardness, alloys for electrical resistances to increase besides their hardness, their resistance to high temperature oxidation and / or their resistance to aqueous corrosion for heating elements in an aggressive medium such as fluidized beds or for chemical or underwater installations. It is also possible to coat substrates made of steel or cast iron, in particular to make cast iron molds for polymers or glass. Of course, the substrates mentioned here, as well as the applications are not limiting, but only mentioned by way of examples.
Parmi les avantages du procédé décrit ci-dessus, outre la possibilité de faire varier à volonté les rapports Ti,Zr, on peut encore signaler le fait de travailler à pression atmosphérique et même 1 à 2 mm Hg au-dessus, l'entrée continue des gaz H2, NH3 provoquant de fait une légère surpression. Par conséquent on évite le risque qu'une fuite fasse rentrer accidentellement de l'oxygène qui provoquerait une oxydation du revêtement. Compte tenu de la très légère surpression, une fuite se traduirait par une sortie de gaz de l'enceinte 6 évitant de ce fait le risque d'oxydation. Among the advantages of the process described above, besides the possibility of varying the ratios Ti, Zr at will, it is also possible to report the fact of working at atmospheric pressure and even 1 to 2 mm Hg above, the continuous input H2, NH3 gases causing a slight overpressure. Therefore, the risk of a leak accidentally returning oxygen which would cause oxidation of the coating is avoided. Given the very slight overpressure, a leak would result in a gas outlet of the chamber 6 thus avoiding the risk of oxidation.
Dans le cas de revêtements de substrats de formes complexes, on peut remplacer le disque 13 par un cylindre tubulaire dont la paroi interne présente des moyens d'accrochage appropriés pour les substrats à revêtir. In the case of coatings of substrates of complex shapes, the disc 13 can be replaced by a tubular cylinder whose inner wall has fastening means suitable for the substrates to be coated.
Outre le procédé mentionné ci-dessus, l'installation de la figure4 peut être utilisée pour tous dépôts de couches de céramiques sur des substrats à partir de deux précurseurs solides. In addition to the method mentioned above, the installation of FIG. 4 can be used for any ceramic layer deposition on substrates from two solid precursors.
En variante, il est possible, en faisant tourner le support de substrat 13, disque ou cylindre, et en ne passant qu'une fois en face de chaque creuset 16 de former plusieurs couches successives, autant qu'il y a de creusets avec des précurseurs différents. C'est ainsi que l'on pourrait former deux couches superposées TiN/Al203 comme on en rencontre sur les outils de coupe. Alternatively, it is possible, by rotating the substrate support 13, disc or cylinder, and passing only once in front of each crucible 16 to form several successive layers, as many as there are crucibles with different precursors. Thus one could form two superimposed layers TiN / Al203 as found on the cutting tools.
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