L'objectif de ce travail était de développer et caractériser une nouvelle génération de revêtements multicouches de type nitrures dont le métal constituant la base est le chrome, et de comprendre les mécanismes de dégradation, tant d'un point de vue physico-chimique que tribologique, afin de définir des règles d'élaboration optimisées ultérieurement. En raison des conditions auxquelles ils sont soumis, ces dépôts doivent présenter des caractéristiques particulières. Dureté, propriétés tribologiques et thermiques optimisées sont les premières à considérer, compte tenu de leur application potentielle dans le domaine de l'usinage. En outre, ils doivent présenter une bonne tenue à l'oxydation à chaud en raison de l'élévation de température concomitante au frottement. Nous avons développé et caractérisé ainsi des revêtements multicouches (CrN/CrAlN et Cr/CrN/CrAlN) en faisant varier les conditions d'élaboration des monocouches, nous avons déterminé les conditions optimales de réalisation des multicouches. Par la suite, les films élaborés dans ces conditions optimales ont été étudiés et caractérisés. Nous nous sommes intéressés en particulier à leurs morphologies, leurs propriétés physico-chimiques et leurs caractéristiques mécaniques (dureté, contraintes résiduelles, adhérence et propriétés tribologiques). Les résultats obtenus dans cette étude apportent une contribution à la compréhension des mécanismes complexes d'endommagement des revêtements multicouches.

Les exigences actuelles en terme de lubrification automobile imposent des formulations extrêmement complexes. Parmi tous les additifs présents dans l'huile, on peut noter le dithiocarbamate de molybdène et le dithiophosphate de zinc, additifs à action tribologique, à base de soufre et de phosphore. Pour des raisons environnementales, il est important de diminuer nettement voire d'éliminer la présence de ces deux éléments dans les huiles. Les matériaux à base de carbone présentent des propriétés tribologiques intéressantes mais n'ont jamais été entièrement étudiés. Dans cette étude nous nous sommes intéressés aux propriétés lubrifiantes des nanotubes de carbone (NTCs). Des nanotubes multi-parois ont été dispersés dans l'huile puis les propriétés rhéologiques et tribologiques des " nanolubrifiants " ont été étudiées. Nous nous sommes intéressés à leurs propriétés tribologiques dans deux régimes de lubrification : le régime limite et le régime élastohydrodynamique. Nous nous sommes tout d'abord focalisés sur les propriétés rhéologiques du mélange huile/NTCs.Les nanotubes de carbone possèdent une tendance à s'agréger sous la forme d'un réseau de taille micrométrique ce qui résulte en une nette augmentation de viscosité de l'huile de base. Cet effet épaississant pourrait éventuellement permettre aux NTCs de remplacer une partie de l'Améliorant d'Indice de Viscosité (AVI) habituellement additionné à l'huile de base. Néanmoins, nous avons mis en évidence un effet antagoniste avec les autres additifs de lubrification, tel que le dispersant, qui pourrait être un problème pour une telle utilisation. Nous nous sommes ensuite intéressés aux propriétés des NTCs dans le régime limite de lubrification. Les NTCs présentent des propriétés réductrices de l'usure et du frottement intéressantes sous certaines conditions. Les analyses effectuées laissent supposer un rôle du catalyseur dans le mécanisme de lubrification. Les nanotubes de carbone semblent d'un grand intérêt car, ils possèdent également des propriétés tribologiques en régime élastohydrodynamique (EHD). Le mécanisme de formation des films lubrifiants a été étudié en fonction des paramètres concentrations et vitesses d'entraînement: la propagation des agrégats de NTCs à travers le contact résulte en une augmentation locale de l'épaisseur de film lubrifiant. De plus, une réduction de frottement et un décalage dans l'apparition des premières traces d'usure ont été observés à la suite d'essais tribologiques. Le mécanisme d'action des NTCs en régime de lubrification EHD est proposé dans cette partie. Cependant, les interactions entre les NTCs et les additifs présents dans les lubrifiants entièrement formulés doivent être étudiés pour optimiser la formulation de lubrifiant à base de nanotubes de carbone.

Les exigences actuelles en terme de lubrification automobile imposent des formulations extrêmement complexes. Parmi tous les additifs présents dans l’huile, on peut noter le dithiocarbamate de molybdène et le dithiophosphate de zinc, additifs à action tribologique, à base de soufre et de phosphore. Pour des raisons environnementales, il est important de diminuer nettement voire d’éliminer la présence de ces deux éléments dans les huiles. Les matériaux à base de carbone présentent des propriétés tribologiques intéressantes mais n’ont jamais été entièrement étudiés. Dans cette étude nous nous sommes intéressés aux propriétés lubrifiantes des nanotubes de carbone (NTCs). Des nanotubes multi-parois ont été dispersés dans l’huile puis les propriétés rhéologiques et tribologiques des « nanolubrifiants » ont été étudiées. Nous nous sommes intéressés à leurs propriétés tribologiques dans deux régimes de lubrification : le régime limite et le régime élastohydrodynamique. Nous nous sommes tout d’abord focalisés sur les propriétés rhéologiques du mélange huile/NTCs.Les nanotubes de carbone possèdent une tendance à s’agréger sous la forme d’un réseau de taille micrométrique ce qui résulte en une nette augmentation de viscosité de l’huile de base. Cet effet épaississant pourrait éventuellement permettre aux NTCs de remplacer une partie de l’Améliorant d’Indice de Viscosité (AVI) habituellement additionné à l’huile de base. Néanmoins, nous avons mis en évidence un effet antagoniste avec les autres additifs de lubrification, tel que le dispersant, qui pourrait être un problème pour une telle utilisation. Nous nous sommes ensuite intéressés aux propriétés des NTCs dans le régime limite de lubrification. Les NTCs présentent des propriétés réductrices de l’usure et du frottement intéressantes sous certaines conditions. Les analyses effectuées laissent supposer un rôle du catalyseur dans le mécanisme de lubrification. Les nanotubes de carbone semblent d’un grand intérêt car, ils possèdent également des propriétés tribologiques en régime élastohydrodynamique (EHD). Le mécanisme de formation des films lubrifiants a été étudié en fonction des paramètres concentrations et vitesses d’entraînement: la propagation des agrégats de NTCs à travers le contact résulte en une augmentation locale de l’épaisseur de film lubrifiant. De plus, une réduction de frottement et un décalage dans l’apparition des premières traces d’usure ont été observés à la suite d’essais tribologiques. Le mécanisme d’action des NTCs en régime de lubrification EHD est proposé dans cette partie. Cependant, les interactions entre les NTCs et les additifs présents dans les lubrifiants entièrement formulés doivent être étudiés pour optimiser la formulation de lubrifiant à base de nanotubes de carbone. / The current requirements in automotive lubrication impose extremely complex formulation. Among all the additives present in oil, one can note the presence of molybdenum dithiocarbamateand zinc dithiophosphate, both tribological additives containing sulfur and phosphorous. For environmental reasons, it is important to reduce or eliminate the presence of these two elements contained in oil. Carbon based materials are expected to present interesting tribological properties but were never really fully investigated. In this study, we are being interested on the lubricant properties of nanometric Carbon NanoTubes (CNT). Multi wall carbon nanotube MWNTs have been dispersed in oil and the behaviour of the blends has been studied in terms of rheology and tribology. We investigated their friction properties in two regims of lubrification : boundary lubrification and elastohydrodynamic (EHD) lubrification. At first, we focused in rheological properties of the blend. Carbon NanoTubes (CNT) present the tendency to aggregate to form micrometric network and this results in an increase in the blend viscosity. This thickening effect could make it possible to replace part of the ViscosityIndex Improver traditionally added to base oil. Nevertheless we reported an antagonist effect with other additives such as dispersant which may be a problem for this purpose. Then we investigated lubricant properties of CNT in boundary regim. CNTs show interesting friction reducing and anti-wear properties in some conditions. The results obtained let suppose a role of the catalyst in the lubrication mechanism. CNT are also of great interest in reason of their potential tribological properties in EHD lubrification regim. The lubricant film formation has been investigated as a function of the speed and the CNT concentration : the propagation of the CNT through the contact results in a local increase in the film thickness. Moreover, a reduction in friction and a drift in the wear onset have been observed under controlled contact kinematics. A potentiel mechanism of lubrification is explained in this last part. However, the interaction between the carbon nanotubes and the other additives present in the fully formulated lubricant need to be carrefully investigated in order to be able in the future to optimise the formulation of new carbon nanotubes based lubricants.

Cette étude porte sur l’élaboration et la caractérisation des propriétés de revêtements de phases Magnéli de titane (TinO2n-1) en vue de leur application tribologique. Les dépôts ont été élaborés par pulvérisation cathodique magnétron en condition réactive à partir de cible métallique de titane dans une atmosphère O2/Ar sur un porte substrat rotatif chauffant.La première partie de l’étude appuie sur la synthèse de monocouches de phases Magnéli de titane. L’influence des principaux paramètres d’élaboration (débit d’oxygène, température du porte substrat) a été analysé au regard de la structure et de la morphologie des revêtements synthétisés. Ensuite, des bicouches TinO2n-1/AlTiN ont été synthétisées par la technique de pulvérisation cathodique magnétron et de l’arc électrique sous basse pression, respectivement. Cependant, la phase et l’épaisseur de la couche de surface d’oxyde de titane ainsi que l’épaisseur de la sous-couche AlTiN ont été choisies comme les paramètres à étudier.La deuxième partie concerne les propriétés mécaniques (nano dureté instrumenté, module d’élasticité, test Mercedes et scratch test) et tribologiques (test pion disque) des revêtements monocouches et bicouches. Une attention particulière a été portée à l’influence de la température du test de frottement sur le taux d’usure des revêtements duplex. / The present work deals with the synthesis and the structural, mechanical and tribological characterization of titanium Magnéli phases (TinO2n-1) coatings for tribological application. The thin films were prepared by reactive magnetron sputtering from titanium target in a reactive O2/Ar gas mixture using a rotating and heating substrate holder.The first part of the study is based on the synthesis of titanium Magneli phase monolayers. The influence of the main synthesis parameters (oxygen flow rate, temperature of the substrate holder) was analyzed in relation with the structure and the morphology of the synthesized coatings. Then TinO2n-1/AlTiN bilayers were synthesized by the reactive magnetron sputtering and the low pressure electric arc techniques, respectively. The phase and the thickness of the top layer of titanium oxide and the thickness of the under layer AlTiN were selected as the parameters to be studied.The second part concerns the mechanical properties (nano hardness instrumented, elasticity modulus, Mercedes test and scratch test) and tribological properties (pin on disc test) of the monolayer and bilayer coatings. Particular attention was paid to the influence of the friction test temperature on the bilayer coatings wear rates.