Développement d'alliages de surface élaborés sous faisceau laser sur substrat aluminium (application au rechargement de surface)

L'étude a été menée selon 2 axes : le développement du rechargement laser sur aluminium et l'amélioration des propriétés mécaniques des revêtements. L'originalité du travail a résidé dans la mise en œuvre de lasers Nd:YAG couplés avec une buse d'injection coaxiale et dans la pluralité des alliages étudiés (base Al avec addition de 1 ou 2 éléments : Cu, Co, Cr, Fe, Mo, Ni, Si et Sn, élaboration de matériaux composites avec renfort de carbures : WC, TiC ou SiC).En premier lieu, une technique d'alliage de surface par prédépôt a été utilisée sur un substrat d'aluminium 1050. Des alliages binaires ont ainsi été réalisés avec des teneurs en soluté de 0 à 50 wt.%. Selon l'élément et sa proportion, les matériaux présentent des microstructures variées (hypoeutectique, eutectique ou hypereutectique), un durcissement important (250-300 HV0,2) et une amélioration de la tenue à l'usure adhésive. La nanoindentation nous a permis d'analyser l'isotropie mécanique de ces alliages et d'appréhender leur comportement élastique et plastique (module d'élasticité, retour élastique et index plastique). En considérant l'ensemble de ces propriétés, les éléments les plus performants pour l'alliation de l'aluminium sous faisceau laser nous a semblé être le cuivre, le molybdène, le nickel et le silicium. Dans un deuxième temps, deux ensembles optique/tête d'injection ont été mis au point avec des lasers Nd:YAG de 2 et 4 kW pour l'opération de rechargement sur un substrat AS7G. Le travail a alors été poursuivi selon trois voies :L'élaboration d'alliages ternaires d'aluminium avec les éléments retenus précédemment (Cu, Mo, Ni, Si). Ces matériaux ont révélé un durcissement proche de 500 HV5 sans fissure et une meilleure résistance à l'usure adhésive que les alliages binaires.L'étude des déformations du substrat et des contraintes résiduelles au sein du revêtement.La fabrication de composites à matrice métallique avec renfort de carbures (WC, SiC et TiC). L'ajout de renforts et de silicium augmente la dureté globale du CMM et influence fortement le régime d'usure.Study has been carried out in two main ways: the development of aluminium laser cladding and the enhance of mechanical properties of the coatings. Original aspects were the implement of Nd:YAG lasers with a coaxial injection nozzle and the multiplicity of studied alloys (Al basis with addition of 1 or 2 elements: Cu, Co, Cr, Fe, Mo, Ni, Si and Sn, development of composite materials with carbide addition: WC, TiC or SiC).In first, laser surface alloying by pre-placed coating was used onto 1050 aluminium substrate. Binary alloys have been carried out with element ratios from 0 to 50 wt.%. As function of added element and its ratio, alloys showed different microstructures (hypoeutectic, eutectic or hypereutectic), a high hardening (250-300 HV0,2) and a enhance of adhesive wear resistance. Nanoindentation measurements allowed to study the mechanical isotropy and the elastic/plastic behaviour of these alloys (elastic modulus, elastic recovery and plastic index). Considering the whole of these properties, the optimum elements for aluminium laser alloying should be Cu, Mo, Ni and Si.Afterwards, for laser cladding onto AS7G substrate, 2 optic/injection nozzles have been designed with 2 and 4 kW Nd:YAG lasers. Study has been continued in 3 ways:Development of aluminium ternary alloys with the selected elements (Cu, Mo, Ni and Si). These alloys showed a high hardness (500 HV5) without crack and a higher wear resistance than binary alloys.Study of the substrate distortion and residual stresses into the coatings.Development of metallic matrix composites (MMC) with carbide addition (WC, TiC or SiC). Carbide or silicon addition increases the MMC bulk hardness and enhances the wear resistance.STRASBOURG-Sc. et Techniques (674822102) / SudocSudocFranceF

Réalisation et caractérisation de revêtements épais éco-respectueux réalisés par voie sèche destinés à remplacer des dépôts électrolytiques

Les matériaux utilisés industriellement sont de plus en plus sollicités dans des conditions extrêmes, exigeant résistance à l usure et à la corrosion. A ces performances techniques s ajoutent désormais des contraintes environnementales de plus en plus fortes nécessitant la recherche de traitements de surface alternatifs. L objet de cette thèse est de remplacer le chromage dur électrolytique par des traitements par voie sèche, en garantissant performances techniques et environnementales par analyse du cycle de vie des dépôts. Afin de corriger certains défauts des dépôts obtenus par projection thermique, et de se rapprocher des qualités des dépôts obtenus par rechargement laser, procédé performant mais beaucoup plus lent, un procédé hybride innovant de refusion laser in situ a été utilisé. La refusion de dépôts NiCrBSi - matériau sélectionné pour ses bonnes performances environnementales - a mis en évidence une répartition homogène de carbures et de borures dans une structure plus dense, sans porosité,entraînant une amélioration des propriétés mécaniques. Le traitement hybride permet d architecturer différemment les dépôts en remplaçant la microstructure lamellaire par une microstructure dendritique, multiphasique, plus adaptée aux sollicitations mécaniqueset chimiques. Les modes de dégradation tribologique, comme les mécanismes de corrosion, diffèrent. Le dépôt d alliage NiCrBSi par refusion laser in situ, au bilan environnemental acceptable, appliqué avec une densité d énergie laser suffisante, pourrait être une solution de choix au remplacement des dépôts électrolytiques de chrome dur.Materials used industrially are more and more applied under extreme conditions, implementing wear and/or corrosion resistance. In addition, environmental regulations are nowadays effective. Thus, it seems necessary to find surface coatings with justified environmental behaviour, implementing life cycle assessment of the processes. This Ph.D. thesis aims to replace electrolytic hard chromium plating by dry coatings. In order to improve some well-known drawbacks of thermal spraying, laser remelting was combined to thermal spraying. Remelting of NiCrBSi deposit, which was selected for its good environmental behaviour, shows a homogeneous carbides and borides distribution in the coating layer and an improvement of the mechanical properties compared to the as-sprayed sample. The hybrid process changes structure from lamellar to dendritic and produces denser coatings with finer structures, without porosity, which improves chemical and mechanical properties. Results are closely linked to laser cladding, except that there are obtained with a very high process velocity. Whereas hard chromium plating is affected by its characteristic microcrack structure, and APS by surface fatigue, laser coatings show an adhesive wear mechanism corresponding to a wear by oxidation in case of laser remelting. If the corrosion kinetics are comparable according to the selected process, mechanisms change. In case of as-sprayed sample, porosity lets the electrolyte reach the substrate, while the in situ remelted sample substrate is not reached. Concerning hard chromium replacement, laser in situ remelted NiCrBSi could be a good solution.STRASBOURG-Sc. et Techniques (674822102) / SudocSudocFranceF

Conception d'un nouvel éco-matériau à utiliser en chaussées perméables et épuratoires dans les zones urbaines

Le travail présenté dans cette thèse s inscrit dans une optique de respect de l environnement et de préservation des ressources. Il propose une solution innovante dans le domaine de la gestion des eaux pluviales en concevant un nouveau matériau utilisable comme chaussée perméable et épuratoire dans les zones urbaines à faible trafic, telles que les parkings. Ce matériau est un mélange de béton concassé issu de déchets inertes du BTP utilisé comme ossature de la structure perméable et de compost destiné à la rétention des polluants et à leur traitement biologique. Pour la caractérisation hydrodynamique de ce nouveau matériau, nous avons conçu un pilote expérimental de laboratoire. Des expériences ont été réalisées pour mesurer en milieu saturé la conductivité hydraulique du matériau constitué de béton concassé vierge ou mélangé avec du compost (3 %, 5 %, 7 % et jusqu à 10 % du volume total du matériau). On a mené, par la suite, des campagnes de traçage pour les cinq proportions du mélange, réalisées dans des conditions de régime permanent et continu dans un milieu partiellement saturé. L approche expérimentale adoptée pour cette étude consiste en une analyse des moments statistiques par suivi de la distribution du temps de séjour. Le traçage a été réalisé à l aide d un traceur conservatif (NaCl). Ces expériences de laboratoire ont été suivies d un travail de modélisation à l aide d un code de calcul CXFIT destiné à estimer les paramètres de transport de soluté à l échelle du laboratoire. Dans le but d étudier le comportement hydrique et le pouvoir épuratoire du matériau sous des charges climatiques et mécaniques réelles, nous avons aussi conçu une plateforme expérimentale in situ (projet financé par la Région Alsace). Les premiers résultats obtenus montrent que le matériau constitué de béton concassé et de 10% de compost présente la plus grande capacité de rétention d eaux pluviales.The work of this thesis deals mainly with environmental protection and resource conservation. An innovative solution is developed in the field of sustainable stormwater management by designing a new material used as permeable and purificating pavement in urban areas with low traffic, such as parking lot. The material is a mixture of crushed concrete which provides the skeleton of the drainage structure, and compost that plays the role of pollution retention and its biological treatment. For the hydrodynamic characterization of this new material, we designed a pilot experimental laboratory. Experiments were conducted in a saturated media to measure the hydraulic conductivity of the crushed concrete, and the ones of the new material which is composed of crushed concrete mixed with 3%, 5%, 7% and 10% of compost. We conducted, thereafter, tracing experiments for the five mixture proportions. These experiments were conducted under steady flow and continuous conditions in an unsaturated media. The experimental approach adopted for this study is an analysis of statistical moments (Residence Time Distribution). Tracing was performed using a conservative tracer (NaCl). These laboratory experiments were followed by a modeling work using a computer code CXFIT to estimate the solute transport parameters in laboratory scale. Further, we designed an experimental plat form in situ, to study the hydraulic behavior and purificating power of the new material under real climatic (stormwater) and mechanical (car s parking) load conditions. The primarily results show that the mixture 90/10 (consisting of 90% of crushed concrete and 10% of Compost) has the high retention of stormwater.STRASBOURG-Sc. et Techniques (674822102) / SudocSudocFranceF

Améliorations de revêtements barrières thermiques par un procédé de refusion laser in situ utilisant un laser à diodes

Les barrières thermiques, réalisées par projection thermique à la torche à plasma d'arc soufflé et constituées d'une couche céramique de zircone stabilisée notamment à l'yttrine (ZrO2-Y2O3), sont largement utilisées pour protéger les composants des turbines à gaz aéronautiques des dégradations à haute température, de la corrosion et de l'oxydation. Toutefois, ces revêtements se dégradent lors des cycles de fonctionnement.Aussi, il existe une véritable difficulté technologique pour élaborer à un coût modéré des barrières thermiques présentant à la fois de faibles caractéristiques de conductivité et une bonne tenue en service. L'originalité de cette étude est donc de modifier les propriétés de barrières thermiques à base de zircone partiellement stabilisée par un procédé de refusion laser in situ couplant la projection thermique à la refusion par irradiation laser.Au final, le procédé de refusion in situ a permis d'architecturer différemment les dépôts barrières thermiques, et notamment : (i) de substituer à la microstructure lamellaire des dépôts projetés une microstructure dendritique colonnaire plus adaptée aux sollicitations thermomécaniques (augmentation de la résistance aux chocs isothermiques pouvant aller jusqu'au doublement du nombre de cycles) ; (ii) d'obtenir une architecture poreuse moins sensible au frittage, d'où une meilleure conservation des propriétés thermiques et mécaniques du dépôt lors de maintiens à hautes températures ; (iii) d'améliorer les propriétés d'isolation thermique de la barrière thermique, notamment en réduisant la conductivité thermique du dépôt d'environ 30 % ; (iv) de diminuer drastiquement sa perméabilité pour lutter contre l'oxydation et la corrosion ; (v) d'obtenir une phase tétragonale métastable plus stable lors de chocs thermiques ; (vi) de conserver les propriétés élastiques du dépôt (module de Young intrinsèque et apparent).Yttria partially stabilized zirconia thermal barrier coatings (TBCs) are nowadays widely used to protect components of aero gas turbines against degradation at high temperature, corrosion and oxidation. However, these coatings degrade in service conditions.Therefore, to manufacture TBC which present both low thermal conductivity and high life-time is a real challenge. Engineering the coating architecture by an adapted process is a prerequise to modify TBC characteristics. In this study, laser remelting was combined to thermal spraying in order to modify the TBC properties. The purpose was to adapt TBC characteristics during their manufacturing process, without adding one or even more additional steps.In situ laser treatment (i) changes structure from lamellar to dendritic columnar; (ii) generates a pore architecture less sensitive to sintering, inducing then a best conservation of the thermal and mechanical properties during thermal treatments at high temperatures; (iii) improves the thermal insulation properties of the TBC by decreasing its thermal conductivity of about 30 %; (iv) decreases its permeability in order to diminish oxidation and corrosion phenomena; (v) increases the resistance to isothermal shocks (with the possibility to double the number of cycles); (vi) conducts to a metastable tetragonal phase more stable during thermal shocks; (vii) without modifying elastic response of the deposit.STRASBOURG-Sc. et Techniques (674822102) / SudocSudocFranceF

Performances tribologiques de revêtements éco-conçus

Le règlement REACH prévoit la suppression du chrome VI en 2010. Des dépôts métalliques par voie sèche, palliatifs au chrome dur sont proposés en justifiant leur comportement environnemental par une analyse du cycle de vie. De plus, la tenue au frottement de dépôts réalisés en projection thermique peut être améliorée avec la contribution du laser. Une technologie hybride (projection plasma, refusion laser in situ) a été élaborée pour maîtriser la porosité et réduire l'usure de dépôts de NiCrBSi