Numerical and experimental study of PVD film growth in an industrial chamber

Grand établissement technologique, Arts et Métiers compte 14 sites. Arts et Métiers a pour missions principales la formation d’ingénieurs et cadres de l’industrie, la recherche. Devenir le grand établissement de technologie français, au service des entreprises : telle est l’ambition d’Arts et Métiers. Dans le cadre du plan stratégique 2022-2027, de nombreux projets ont été engagés pour faire de chaque diplômé Arts et Métiers un acteur essentiel au service des futurs leaders et des entreprises qui feront la France industrielle de 2030.

Arts et Métiers is a leading French technological institution with a national presence across 14 campuses. Its core missions are the training of engineers and industrial executives, and the advancement of applied research in close collaboration with industry. The institution aspires to become France’s premier technological establishment, serving the needs of companies and industrial innovation.

As part of its 2022–2027 strategic plan, Arts et Métiers has launched numerous initiatives aimed at ensuring that each graduate becomes a key contributor to the success of future industrial leaders and to the development of the French industrial landscape by 2030.

Cette étude se fait dans le cadre du projet ANR PRCE POLARISS « develoPement of tOoLs for cryogenic mAchining - pRogressIon to a SuStainable machining ». Les partenaires de cette étude sont ici le LaBoMaP du campus Arts et Métiers de Cluny (71 250) et l’Institut FEMTO-ST (Besançon 25 000).

Les préoccupations environnementales et les coûts des fluides de lubrifiants utilisés dans les opérations d'usinage entraînent un intérêt industriel croissant pour les fluides cryogéniques (N₂ liquide, CO₂ liquide) pour les substituer aux lubrifiants classiques. Cependant, les outils de coupe existants pour l’usinage cryogénique ont montré une grande dispersion de l'usure diminuant ainsi leur durée de vie.

Le projet POLARISS vise donc à développer la prochaine génération d'outils coupants pour l'usinage cryogénique (fraisage, tournage et perçage). Ces outils de formes complexes sont positionnés sur un carrousel porte-substrats pouvant travailler en statique, avec une rotation, ou deux rotations. Les échantillons sont eux-mêmes positionnés à différentes hauteurs sur les barres porte-substrats.

Pour des conditions de procédé identique (c’est-à-dire température, polarisation du porte-substrat, puissance appliquée à la cible et pression de travail constantes), les couches élaborées peuvent présenter des comportements différents, voire en dehors des plages de propriétés visées.

L'objectif de ce stage est d’étudier de manière expérimentale et numérique l’évolution des propriétés des films en fonction de la position dans l’enceinte et des rotations. Le matériau déposé sera, dans un premier temps, du chrome métallique et pourra, dans un deuxième temps, être du nitrure de chrome. Les paramètres de contrôle à étudier seront l’épaisseur des films, leur morphologie (en surface et en coupe), leur composition (en particulier la quantité d’oxygène incorporé comme contaminant) et éventuellement leur niveau de contrainte et leur structure.

Dans le cas statique, on utilisera Simtra et Virtual Coater afin d’étudier les flux de matière et la croissance. Dans le cas avec rotation (simple et double), seul Virtual Coater sera utilisé. Les résultats expérimentaux et numérique seront comparés.

Ce projet de master sera financé par l’ANR POLARISS (gratification, fonctionnement (consommables, etc.) et déplacements du/de la stagiaire recruté(e)).

This work is part of the ANR PRCE POLARISS project “develoPment of tOoLs for cryogenic mAchining – pRogressIon to a SuStainable machining.” The partners involved in this study are the LaBoMaP at the Arts et Metiers campus in Cluny (71 250) and the FEMTO-ST Institute in Besançon (25 000).

Environmental concerns and the high cost of lubricating fluids used in machining operations are driving increasing industrial interest in cryogenic fluids (liquid N₂, liquid CO₂) as substitutes for conventional lubricants. However, current cutting tools for cryogenic machining have shown significant wear variability, which limits their lifetime.

The POLARISS project aims to develop the next generation of cutting tools for cryogenic machining (milling, turning, drilling). These tools, often of complex geometry, are mounted on a carousel substrate holder that can operate in static mode, with single rotation, or with dual rotation. The samples themselves are placed at different heights on the carrier bars.

For identical process conditions (i.e., constant temperature, bias voltage, target power, and working pressure), the deposited films may still exhibit different behaviors, sometimes outside the expected property ranges.

The goal of this internship is to investigate, both experimentally and numerically, the evolution of the film properties as a function of position inside the chamber and of the carousel rotations. The deposited material will initially be metallic chromium, and, eventually in a second step, chromium nitride. The control parameters to be studied include film thickness, morphology (surface and cross-section), composition (in particular, the amount of oxygen incorporated as a contaminant), and possibly residual stress and structure.

In the static case, Simtra and Virtual Coater will be used to study material fluxes and growth. For the rotating cases (single and dual rotation), only Virtual Coater will be employed. Numerical and experimental results will be systematically compared.

This Master’s project is funded by the ANR POLARISS project (including stipend, operating expenses such as consumables, and travel costs for the recruited student).

Formation requise de l'étudiant :

• Des connaissances en science des matériaux.
• Des connaissances/compétences en dépôts PVD et en techniques de caractérisations mécaniques.
• Capacité à travailler de manière autonome, à planifier et à exécuter des tâches et à travailler en groupe.
• Bonnes compétences en communication en anglais et/ou en français, tant à l'écrit qu'à l'oral.
• Une expérience avec des simulations numériques est un avantage mais pas un critère d'exclusion

Required Background:

• Knowledge in materials science.
• Knowledge/skills in PVD deposition and in mechanical characterization techniques.
• Ability to work independently, to plan and carry out tasks, and to collaborate effectively within a team.
• Good communication skills in English and/or French, both written and oral.
• Experience with numerical simulations is an advantage but not mandatory.