Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

The stochastic nature of tool wear in wood machining, driven by the complex interaction of wood properties, machining parameters, and environmental conditions, continues to pose major challenges to machining efficiency. At the same time, the growing industrial need for higher durability and cost-effective performance has intensified interest in advanced tribological enhancement strategies, particularly ceramic coatings deposited via physical vapour deposition (PVD). Building on these motivations, this thesis examines three fundamental, yet under-explored factors that critically govern the performance of AlTiN/AlTiCrN coatings for woodworking applications: (i) substrate surface condition prior to deposition, (ii) architectural design of multilayer coatings, and (iii) deposition temperature. By systematically isolating and analyzing each factor, the work aims to establish a coherent scientific framework for optimizing coating behaviour and addressing long-standing gaps in enhancing the tribological performance of coated tool steels. The first experimental study investigates how substrate roughness (Ra = 0.0025 –1.7 μm) affects the tribological performance of AlTiN/AlTiCrN-coated AISI A8 tool steel. Through nanoindentation, adhesion, microstructural analyses, and abrasive wear testing, the study demonstrates that smoother substrates promote a stronger (111) crystallographic texture, improved hardness, enhanced fracture resistance, and higher adhesion strength. These synergistic effects result in approximately 15 % lower wear rates compared to rougher substrates. The findings underscore the critical importance of substrate preparation and suggest that optimizing roughness is essential for achieving superior tribological behavior in coated wood-machining tools. The second experimental study examines the tribological performance of engineered multilayer AlTiN/AlTiCrN coatings with distinct bilayer and trilayer architectures deposited via cathodic arc evaporation PVD. Three coating configurations designated as AlTiCrN I, II, and III were evaluated for their microstructure, defect density, crystallographic texture, hardness, adhesion, fracture resistance, and wear behavior. The trilayer designs (i.e. AlTiCrN II and III) exhibited reduced macroparticle density, smoother surfaces, improved (111) orientation, and markedly enhanced mechanical properties relative to the bilayer coating (i.e. AlTiCrN I). Furthermore, the AlTiCrN III coating achieved the highest performance, with wear rates 29 % and 15 % lower than AlTiCrN I and II coatings, respectively. The superior performance of the AlTiCrN III coatings was attributed to its higher hardness, improved adhesion strength, optimized architecture, and reduced surface defects. The study demonstrates how architectural tailoring can strategically enhance coating functionality for woodworking applications.VI

The final experimental investigation focuses on the influence of deposition temperature (350 – 450 °C, designated as T350 to T450) on the microstructural evolution, mechanical properties, and wear performance of AlTiN/AlTiCrN coatings deposited on AISI A8 tool steel. The results revealed that, although the T400 coating exhibited the highest hardness (36 GPa) due to finer crystallites and elevated microstrain, its higher macroparticle density and increased roughness compromised tribological performance. In contrast, the T350 coating showed the best overall wear resistance, with wear rates 36 % and 56 % lower than T400 and T450, respectively. This superior performance is attributed to its stronger adhesion (critical load ~11 N), smoother surface (Ra = 0.25 μm), greater coating thickness (2.8 μm), and higher H/E ratio, despite its intermediate hardness. These findings highlight the system-specific nature of thermal effects in CAE-PVD coatings and reveal that 350 °C presents an optimal deposition temperature for achieving balanced microstructural and tribological performance in woodworking environments. Overall, this thesis provides an integrated understanding of how substrate engineering, architectural design, and deposition temperature govern the performance of AlTiN/AlTiCrN coatings used in wood machining. The findings contribute to advancing knowledge in the tribology of hard coatings and offer a scientific basis for developing next-generation coating systems with enhanced, adhesion, and wear resistance.

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. 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 IV

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 accrue. Tribological performance enhancement of AlTiN/AlTiCrN-based physical vapour deposition coatings for wood-processing application