Finissant au doctorat en ingénierie, Musa Muhammed, a effectué sa soutenance de thèse le 28 avril 2026. Sous la direction de recherche de Mousa Javidani (UQAC) et la codirection de Mohammad Jahazi (ÉTS), sa thèse a pour titre «Tribological performance enhancement of AlTiN/AlTiCrN-based physical vapour deposition coatings for wood-processing application».
Sous la présidence de Dilip Sarkar (UQAC), le jury d’évaluation était composé de Christian Moreau (Université Concordia) et de Lei Ray Pan (Rio Tinto)
Résumé de la thèse
La nature stochastique de l’usure des outils en usinage du bois, résultant de l’interaction complexe entre les propriétés du matériau bois, les paramètres de coupe et les conditions environnementales, continue de poser des défis majeurs à l’efficacité des opérations d’usinage. Parallèlement, la demande industrielle croissante pour une durabilité accrue et des performances économiques renforcées stimule l’intérêt pour des stratégies avancées d’amélioration tribologique, notamment l’utilisation de revêtements céramiques déposés par dépôt physique en phase vapeur (PVD). Dans ce contexte, cette thèse examine trois facteurs fondamentaux, mais encore peu étudiés, qui gouvernent de manière critique les performances des revêtements AlTiN/AlTiCrN destinés aux applications d’usinage du bois : (i) l’état de surface du substrat avant dépôt, (ii) la conception architecturale des revêtements multicouches, et (iii) la température de dépôt. En isolant et en analysant systématiquement chacun de ces paramètres, ce travail vise à établir un cadre scientifique cohérent pour optimiser le comportement des revêtements et combler des lacunes importantes dans l’amélioration des performances tribologiques des aciers à outils revêtus.
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La première étude expérimentale analyse l’effet de la rugosité du substrat (Ra = 0,0025 à 1,7 μm) sur les performances tribologiques d’un acier à outil AISI A8 revêtu d’AlTiN/AlTiCrN. Grâce à des essais de nanoindentation, des analyses d’adhérence, des caractérisations microstructurales et des tests d’usure abrasive, l’étude montre que les substrats plus lisses favorisent une texture cristallographique (111) plus marquée, une dureté supérieure, une meilleure résistance à la fracture ainsi qu’une adhérence accrue. Ces effets synergiques se traduisent par une réduction d’environ 15 % du taux d’usure par rapport aux substrats plus rugueux. Les résultats soulignent l’importance cruciale de la préparation du substrat et démontrent que l’optimisation de la rugosité constitue un levier essentiel pour améliorer le comportement tribologique des outils revêtus utilisés en usinage du bois.
La deuxième étude expérimentale examine la performance tribologique de revêtements multicouches AlTiN/AlTiCrN conçus avec des architectures bilayer et trilayer, déposés par PVD à évaporation cathodique. Trois configurations, désignées AlTiCrN I, II et III, ont été évaluées en termes de microstructure, densité de défauts, texture cristallographique, dureté, adhérence, résistance à la fracture et comportement à l’usure. Les architectures trilayer (AlTiCrN II et III) présentent une densité de macroparticules plus faible, une surface plus lisse, une orientation (111) renforcée et des propriétés mécaniques
nettement améliorées par rapport au revêtement bilayer (AlTiCrN I). De plus, le revêtement AlTiCrN III atteint les meilleures performances, avec des taux d’usure inférieurs de 29 % et 15 % à ceux des revêtements AlTiCrN I et II, respectivement. Cette performance supérieure est attribuée à sa dureté plus élevée, à sa meilleure adhérence, à son architecture optimisée et à sa réduction des défauts de surface. L’étude démontre ainsi le potentiel stratégique de l’ingénierie architecturale pour améliorer la fonctionnalité des revêtements en usinage du bois.
La dernière étude expérimentale porte sur l’influence de la température de dépôt (350 – 450 °C, désignée T350 à T450) sur l’évolution microstructurale, les propriétés mécaniques et le comportement à l’usure des revêtements AlTiN/AlTiCrN déposés sur acier AISI A8. Les résultats montrent que, bien que le revêtement T400 présente la dureté la plus élevée (36 GPa) due à des cristallites plus fines et une microdéformation accrue, sa densité supérieure de macroparticules et sa rugosité plus importante compromettent sa performance tribologique. À l’inverse, le revêtement T350 offre la meilleure résistance globale à l’usure, avec des taux d’usure inférieurs de 36 % et 56 % à ceux de T400 et T450, respectivement. Cette performance optimale est attribuée à une adhérence plus élevée (charge critique ~11 N), une surface plus lisse (Ra = 0,25 μm), une épaisseur accrue (2,8 μm) et un rapport H/E plus favorable, malgré une dureté intermédiaire. Ces résultats mettent en évidence la nature spécifique du rôle thermique dans les revêtements PVD à arc cathodique et montrent que 350 °C constitue une température optimale pour un compromis idéal entre propriétés microstructurales et performance tribologique en environnement d’usinage du bois.
Dans l’ensemble, cette thèse propose une compréhension intégrée de l’influence de l’ingénierie du substrat, de la conception architecturale et de la température de dépôt sur les performances des revêtements AlTiN/AlTiCrN utilisés en usinage du bois. Les résultats contribuent à l’avancement des connaissances en tribologie des revêtements durs et fournissent une base scientifique pour le développement de systèmes de revêtements de nouvelle génération offrant une durabilité, une adhérence et une résistance à l’usure accrues.
Félicitations à Musa Muhammed pour la soutenance de sa thèse de doctorat!
