Atomic-scale grain boundary engineering to overcome hot-cracking in additively-manufactured superalloys

There are still debates regarding the mechanisms that lead to hot cracking in parts build by additive manufacturing (AM) of non-weldable Ni-based superalloys. This lack of in-depth understanding of the root causes of hot cracking is an impediment to designing engineering parts for safety-critical applications. Here, we deploy a near-atomic-scale approach to investigate the details of the compositional decoration of grain boundaries in the coarse-grained, columnar microstructure in parts built from a non-weldable Ni-based superalloy by selective electron-beam melting. The progressive enrichment in Cr, Mo and B at grain boundaries over the course of the AM-typical successive solidification and remelting events, accompanied by solid-state diffusion, causes grain boundary segregation induced liquation. This observation is consistent with thermodynamic calculations. We demonstrate that by adjusting build parameters to obtain a fine-grained equiaxed or a columnar microstructure with grain width smaller than 100 $\mu$m enables to avoid cracking, despite strong grain boundary segregation. We find that the spread of critical solutes to a higher total interfacial area, combined with lower thermal stresses, helps to suppress interfacial liquation.Comment: Accepted version at Acta Materiali

Anopheles Gambiae PRS1 Modulates Plasmodium Development at Both Midgut and Salivary Gland Steps

Background: Invasion of the mosquito salivary glands by Plasmodium is a critical step for malaria transmission. From a SAGE analysis, we previously identified several genes whose expression in salivary glands was regulated coincident with sporozoite invasion of salivary glands. To get insights into the consequences of these salivary gland responses, here we have studied one of the genes, PRS1 (Plasmodium responsive salivary 1), whose expression was upregulated in infected glands, using immunolocalization and functional inactivation approaches. Methodology/Principal Findings: PRS1 belongs to a novel insect superfamily of genes encoding proteins with DM9 repeat motifs of uncharacterized function. We show that PRS1 is induced in response to Plasmodium, not only in the salivary glands but also in the midgut, the other epithelial barrier that Plasmodium has to cross to develop in the mosquito. Furthermore, this induction is observed using either the rodent parasite Plasmodium berghei or the human pathogen Plasmodium falciparum. In the midgut, PRS1 overexpression is associated with a relocalization of the protein at the periphery of invaded cells. We also find that sporozoite invasion of salivary gland cells occurs sequentially and induces intra-cellular modifications that include an increase in PRS1 expression and a relocalization of the corresponding protein into vesicle-like structures. Importantly, PRS1 knockdown during the onset of midgut and salivary gland invasion demonstrates that PRS1 acts as an agonist for the development of both parasite species in the two epithelia, highlighting shared vector/parasite interactions in both tissues. Conclusions/Significance: While providing insights into potential functions of DM9 proteins, our results reveal that PRS1 likely contributes to fundamental interactions between Plasmodium and mosquito epithelia, which do not depend on the specific Anopheles/P. falciparum coevolutionary history

Fine Pathogen Discrimination within the APL1 Gene Family Protects Anopheles gambiae against Human and Rodent Malaria Species

Genetically controlled resistance of Anopheles gambiae mosquitoes to Plasmodium falciparum is a common trait in the natural population, and a cluster of natural resistance loci were mapped to the Plasmodium-Resistance Island (PRI) of the A. gambiae genome. The APL1 family of leucine-rich repeat (LRR) proteins was highlighted by candidate gene studies in the PRI, and is comprised of paralogs APL1A, APL1B and APL1C that share ≥50% amino acid identity. Here, we present a functional analysis of the joint response of APL1 family members during mosquito infection with human and rodent Plasmodium species. Only paralog APL1A protected A. gambiae against infection with the human malaria parasite P. falciparum from both the field population and in vitro culture. In contrast, only paralog APL1C protected against the rodent malaria parasites P. berghei and P. yoelii. We show that anti-P. falciparum protection is mediated by the Imd/Rel2 pathway, while protection against P. berghei infection was shown to require Toll/Rel1 signaling. Further, only the short Rel2-S isoform and not the long Rel2-F isoform of Rel2 confers protection against P. falciparum. Protection correlates with the transcriptional regulation of APL1A by Rel2-S but not Rel2-F, suggesting that the Rel2-S anti-parasite phenotype results at least in part from its transcriptional control over APL1A. These results indicate that distinct members of the APL1 gene family display a mutually exclusive protective effect against different classes of Plasmodium parasites. It appears that a gene-for-pathogen-class system orients the appropriate host defenses against distinct categories of similar pathogens. It is known that insect innate immune pathways can distinguish between grossly different microbes such as Gram-positive bacteria, Gram-negative bacteria, or fungi, but the function of the APL1 paralogs reveals that mosquito innate immunity possesses a more fine-grained capacity to distinguish between classes of closely related eukaryotic pathogens than has been previously recognized

La superlasticité : des petits grains pour de grandes déformations

La mise en forme superplastique, parfois associée au soudage par diffusion, est une technologie aujourd’hui présente dans différents secteurs industriels et qui concerne essentiellement les alliages légers. L’obtention de propriétés superplastiques exige de pouvoir disposer de microstructures fines (typiquement avec des tailles de grains inférieures à 10 µm) en raison de la prédominance du glissement aux joints de grains comme mécanisme de déformation. De telles microstructures peuvent être produites par des gammes thermomécaniques conventionnelles incluant des étapes de laminage mais récemment de nouveaux procédés (hyperdéformation) ont été proposés, permettant de produire des grains submicroniques. Néanmoins, pour pouvoir préserver les propriétés superplastiques de telles microstructures fines, il convient que ces dernières soient stables en température et peu sensibles à l'endommagement

Modélisation et validation expérimentale de nouveaux concepts de ballons solaires à forte stratification

L'eau chaude sanitaire (ECS) peut représenter jusqu'à 25% de la consommation énergétique d'un logement, voire devenir le premier poste de consommation dans un bâtiment basse consommation. Pour limiter cette part, l'énergie solaire apparaît comme une solution séduisante. Un stockage thermique, très souvent sous forme sensible, est alors essentiel pour faire le lien entre production et consommation. Dans un ballon solaire, la stratification thermique impacte fortement les performances du système. Différentes solutions technologiques sont ainsi mises en œuvre pour favoriser la stratification ou en limiter sa dégradation. Cependant, les modèles numériques existants ne reproduisent pas de façon satisfaisante cette influence dans une simulation annuelle. Un modèle zonal en température et en pression est alors développé dans l'environnement TRNSYS. Les écoulements de faibles quantités de mouvement y sont décrits par une loi en pression dans les zones courantes tandis que les écoulements dominants sont prédits par des lois spécifiques. Du fait du caractère dynamique des situations rencontrées (jet imposé par le puisage, panache dû à la charge par l'appoint résistif ou dû à la charge indirecte par l'échangeur solaire, ), une zone peut changer de nature au cours de la simulation. Le dispositif expérimental montre alors des couches du ballon à température non-uniforme, justifiant le découpage d'une couche en zones. Le modèle est finalement validé expérimentalement sur un ballon solaire.Domestic Hot Water (DHW) can represent 25% of the building energy consumption and can be the major part of a low energy building consumption. Solar energy is a suitable way to decrease the DHW energy demand. In most cases, sensible heat storage links the intermittent production from solar radiation to the energy demand. The performance of solar heating systems is strongly influenced by thermal stratification in a heat storage tank. Technologies tend to take up a double challenge: to provide a high level of stratification and to limit destratification. However, existing tank models don't consider with enough details this influence in annual simulation. A temperature and pressure zonal model is then developed in the TRNSYS environment to take into account flows inside the tank. Specific laws are applied for driving flows and a power-law pressure distribution is used everywhere else. Because of various situations (jet caused by draw-off, plumes due to electrical element charge or due to solar heating heat exchanger, ), the nature of a zone changes during simulation. The zonal model is then experimentally validated on a solar heating tank.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF

Etude des effets d'échelle sur le comportement mécanique de film mince en verre métallique

L'absence de structure cristalline dans les verres métalliques tendrait à suggérer qu'aucun effet d'échelle sur leur comportement mécanique ne pourrait exister. Cependant, la diminution de la taille des éprouvettes de verre métallique, principalement solliciter en micro-compression sur des micro-pilliers usiné au FIB à partir de BMG révèlent une transition entre des mécanismes de déformation localisés dans des bandes de cisaillement pour des échelles supérieures à 400 nm et des mécanismes qui présentent des déformations homogènes en dessous de 400 nm. Des interrogations demeurent cependant sur l'impact des procédés d'élaboration des échantillons. Dans cette thèse, on s'intéresse à une autre voie de caractérisation des effets d'échelle sur le comportement mécanique des verres métalliques par l'élaboration et la caractérisation d'éprouvettes obtenues par des procédés de microélectronique dans des films minces de verre métallique de différentes épaisseurs, sans recours à de l'usinage FIB. La structure amorphe et la composition des dépôts réalisés par MS-PVD ont été confirmées par des analyses DRX et MET. L'homogénéité des dépôts entre les différentes épaisseurs a été confirmée par l'invariance du module de Young et du module de cisaillement déterminé par diffusion Brillouin sur chaque épaisseur. Des mesures de nano indentation ont cependant révélé une diminution de la dureté, une augmentation du module de compressibilité et du coefficient de Poisson avec l'augmentation de l'épaisseur des films. L'observation des déformations d'éprouvettes de flexion et des empreintes en nano indentation confirme l'existence d'une taille critique d'éprouvette. Les relations entre les différentes propriétés mécaniques et les observations sur les effets d'échelle sont discutées à partir du modèle des STZ et d'une loi de comportement élasto-plastique parfaite pour toutes les épaisseurs.The lack of cristalline structure in metallic glasses suggests that no mechanical size effect could be expected. However, if the sample size decreases, a transition around 400 nm in size between deformations localized in shear band and homogeneous deformations was observed mainly on micropillars machined by FIB. But there are still a few questions which remained unanswered on elaboration process and their influence on amorphous structure with the size decreasing. This thesis deals with on a new way to characterize the size effect on the mechanical behaviour of metallic glasses. Metallic glasses thin films were elaborated by MS-PVD and mechanical samples were designed thanks to microelectronic process. Homogeneity of the amorphous structure and of the composition were determined by XRD and TEM. Elastic constant such as Young modulus and shear modulus obtained by Brillouin scattering analysis are also steady whatever the thicknesses. Nevertheless, nano indentation measures showed that Poisson ratio and Bulk modulus increase when the thin films thicknesses increase. Deformations observed on nano bending sample and imprints in nano indentation show also a transition between homogeneous deformation and deformations with shear bands. The origins of these transitions between the mechanical properties are discussed from a elastic perfectly plastic model and the Shear Transition Zone model.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Elaboration par co-déformation de matériaux stratifiés alliage léger / verre métallique

Les verres métalliques sont des matériaux amorphes, présentant d'excellentes propriétés mécaniques à température ambiante (haute limite d'élasticité, large domaine élastique, dureté élevée, etc.) combinées à une grande capacité de mise en forme au-delà de leur transition vitreuse. Leur domaine d'application est cependant limité par leur relative fragilité à température ambiante. Dans l'optique d'élargir le champ d'application des verres métalliques, l'élaboration par co-déformation à chaud de multi-matériaux alliant verre métallique et alliage léger traditionnel s'avère prometteuse. Dans ce travail, nous nous sommes intéressés à la possibilité d'élaborer par co-pressage à chaud des stratifiés associant un verre métallique base-zirconium à un alliage de magnésium. L'étude des propriétés mécaniques des deux matériaux, et notamment de leur comportement à chaud, a permis de préciser les mécanismes de déformation associés et de sélectionner les conditions optimales de co-pressage. Une caractérisation structurale des matériaux avant et après mise en forme a été réalisée. Les interfaces verre métallique/alliage de magnésium ont été caractérisées, confirmant une bonne adhésion entre les deux matériaux et des essais mécaniques spécifiques ont été mis en œuvre pour quantifier la tenue mécanique en cisaillement des interfaces. Ces résultats ont permis de valider le procédé de co-pressage à chaud comme technique d'élaboration de multi-matériaux verre métallique / alliage léger.Metallic glasses are amorphous materials displaying very interesting mechanical properties at room temperature (high fracture stresses, large elastic domain, etc.) together with an excellent formability above the glass transition temperature. However the use of these materials is limited by their lack of plasticity at room temperature. In order to extend their applications field, it could be of interest to associate metallic glasses with conventional light alloys. In this work, the feasibility of the elaboration of multilayered materials involving a Zr-based metallic glass and a magnesium alloy by co-pressing at high temperature has been investigated. The selected conditions for co-pressing were chosen from the knowledge of the rheological behavior of both the metallic glass and the light alloy. The structural characterization of the materials before and after the elaboration has been studied. The interfaces metallic glass/magnesium alloy has been characterized, revealing a good bonding between the two materials. In order to evaluate the mechanical strength of the bonding, specific tests have been developed. The results enabled us to valid the co-pressing process as a technique to elaborate multimaterials associating metallic glasses with light alloys.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Effect of silver on the glass forming ability of MgCuGdY bulk metallic glasses

International audienceBulk metallic glasses have been synthesized in the Mg(x)Cu(y)Ag(z)Gd(10) and Mg(x)Cu(y)Ag(z)Gd(9)Y(2) systems by HF melting and injection in conical and cylindrical shape copper moulds in order to determine their critical diameter and to prepare samples for mechanical tests. Silver can be substituted either to the copper or to the magnesium leading to different alloys whose properties have been measured by differential scanning calorimetry (DSC) curves and X-ray analyses. Up to a high diameter (10 mm), they present the structure of bulk metallic glasses. The effect of silver is in general to reduce the glass transition region (Delta T = T(x) - T(g)) but with an increase of the critical diameter which is not in agreement with glass forming ability (GFA) criteria when choosing Delta T as so, however the gamma = T(x)/(T(g) + T(l)) parameter is in agreement with the GFA as the gamma parameter is increasing when the critical diameter is increasing. The effect of silver in the gadolinium-yttrium-based alloys is to decrease the Delta T range from 69 K without silver to 40 K with 9 at.% of Ag. Mechanical measurements made by compression tests at room temperature show that these alloys stay brittle with an elastic limit above 800 MPa but with no improvement of plasticity due to silve

Élaboration, caractérisation structurale et mise en forme d'alliages de magnésium vitreux

La structure amorphe des verres métalliques leur confère à la fois des propriétés mécaniques élevées à température ambiante, de hautes duretés et limites élastiques, un grand domaine de déformation élastique, mais aussi des capacités de mise en forme intéressantes, dans leur domaine de liquide surfondu. Du fait de leur état hors d'équilibre, une cristallisation peut se développer lors d'un traitement thermique et conduire à la formation d'un composite, verre/cristallites, dont les propriétés sont modifiées. On s'intéresse dans cette thèse à la famille des verres métalliques massifs base Mg, principalement dans le système Mg-Cu-TR (TR = Terre Rare) : depuis leur élaboration par injection dans un moule de cuivre, en passant par leur caractérisation structurale, par DSC, diffraction de rayons X et microscopie, leur caractérisation mécanique, principalement par compression, dans leur état amorphe et partiellement cristallisé, jusqu'à leur mise en forme par extrusion. Des échantillons sont obtenus sous la forme de barreaux et présentent une structure amorphe sur des diamètres atteignant les 9mm. A température ambiante, malgré un comportement macroscopique fragile, des limites à rupture en compression supérieures à 800MPa peuvent être mesurées. Aux alentours de la température de transition vitreuse, soit vers 150C, une grande capacité de mise en forme est mise en évidence, associée à des écoulements Newtoniens et des viscosités faibles. D'une manière générale, la cristallisation détériore les propriétés mécaniques du verre, notamment par une fragilisation à température ambiante et par une dégradation progressive des capacités de mise en forme à haute température. La grande stabilité thermique du verre permet tout de même de conserver un état amorphe lors des opérations de mise en forme et autorise la création de multi-matériaux verre métallique/alliage léger.The amorphous structure of metallic glasses results in high mechanical properties at room temperature, high hardness and strength, large elastic deformation domain, but also interesting forming capacity in their supercooled liquid region. Because of their out of equilibrium state, a crystallisation can develop during a heat treatment and lead to the formation of a glass/crystallites composite, for which properties are changed. We investigate in this thesis the Mg based bulk metallic glasses family, mainly in the Mg-Cu-RE system (RE = Rare Earth): from their elaboration by copper mold injection casting, through their structural characterisation, by DSC, X-ray diffraction and microscopy, their mechanical characterisation, mainly by compression, in amorphous and partially crystallised states, to their forming by extrusion. Samples are obtained in the form of amorphous rods up to 9mm diameter. At room temperature, despite a macroscopic brittle behaviour, fracture stresses higher than 800MPa can be measured. In the vicinity of the glass transition temperature, at about 150C, a great forming capacity is highlighted, associated to Newtonian flows and low viscosities. The crystallisation mainly deteriorates the mechanical properties of the glass, especially by a weakening at room temperature and by the progressive degradation of forming capacities at high temperatures. Nevertheless, the high thermal stability of the glass is sufficient to keep the amorphous state during the forming operations, allowing the elaboration of multi-materials metallic glass/light alloy.GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF